Ультрафиолетовое излучение и стекло¶
Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне приблизительно 10–400 нм, расположенным между рентгеновским излучением и видимым светом. Стекло — аморфное твёрдое тело на основе диоксида кремния, прозрачное для видимого света. Степень пропускания ультрафиолета стеклом зависит от длины волны, химического состава материала и толщины образца: обычное натрий-кальциевое стекло практически непрозрачно для коротковолнового ультрафиолета, но частично пропускает длинноволновую часть спектра.
¶Спектр ультрафиолетового излучения
Ультрафиолет принято делить на три поддиапазона:
| Обозначение | Диапазон волн | Основные свойства |
|---|---|---|
| UV-C (ультрафиолет C) | 100–280 нм | Бактерицидное излучение, полностью поглощается атмосферным озоном и большинством стёкол |
| UV-B (ультрафиолет B) | 280–315 нм | Вызывает эритему кожи, частично поглощается стеклом |
| UV-A (ультрафиолет A) | 315–400 нм | Наиболее проникающая часть ультрафиолета, заметно проходит через обычное стекло |
Солнечный ультрафиолет, достигающий поверхности Земли, состоит преимущественно из UV-A и небольшой доли UV-B; UV-C полностью задерживается озоновым слоем.
¶Пропускание ультрафиолета обычным стеклом
Обычное натрий-кальциевое стекло (около 70–75 % SiO₂, 12–16 % Na₂O, 6–12 % CaO) содержит примеси железа, которые играют ключевую роль в поглощении ультрафиолета. Такое стекло практически непрозрачно для UV-B и UV-C: его граница пропускания лежит в области 300–320 нм. Для UV-A характерно частичное пропускание — в зависимости от толщины и содержания железа, через обычное оконное стекло проходит от нескольких до около 75 % ультрафиолета длиной волны 370–380 нм.
Практический вывод: за обычным оконным стеклом человек не получает солнечного загара (эритемы), но продолжает подвергаться воздействию длинноволнового ультрафиолета, ответственного за старение кожи и выработку витамина D.
¶Виды стекла и их пропускание ультрафиолета
¶Кварцевое стекло
Кварцевое стекло (на основе чистого SiO₂) прозрачно для ультрафиолета вплоть до 200 нм и ниже, в зависимости от сорта. Именно из него изготавливают лампы-«кварцевые» бактерицидные облучатели, а также кюветы и оптические элементы для работы в ультрафиолетовой области спектра. Различают:
- Кварцевое стекло — пропускает ультрафиолет до 160–200 нм;
- Спецстекло УФС — пропускает ультрафиолет до 200–220 нм;
- Стекло УФС-1 — граница пропускания около 200 нм;
- Стекло УФС-4 — граница пропускания около 220 нм.
¶Стекло с защитными покрытиями
Для защиты от ультрафиолета применяют:
- Антиуф-покрытия — наносятся на стеклопакеты и снижают пропускание UV-B и части UV-A;
- Тонированное стекло — за счёт добавок и тонировки;
- Ламинированное стекло (триплекс) — содержит полимерную плёнку (PVB), которая поглощает значительную часть ультрафиолета;
- Энергосберегающие стеклопакеты — содержат ионное напыление, которое также снижает ультрафиолетовую составляющую.
¶Стекло с повышенным пропусканием
Для специальных целей выпускают стекло с высокой прозрачностью в ультрафиолетовой области:
- Стекло УФС-1 — пропускает ультрафиолет до 200 нм;
- Стекло УФС-4 — пропускает ультрафиолет до 220 нм;
- Кварцевое стекло — пропускает ультрафиолет до 160–200 нм.
¶Влияние состава и толщины
Пропускание ультрафиолета стеклом определяется:
- Содержанием железа (Fe₂O₃) — даже незначительные примеси железа (0,01–0,1 %) резко снижают пропускание в области 300–320 нм. Стекло с пониженным содержанием железа («low-iron», «extra-clear») пропускает больше ультрафиолета и видимого света.
- Толщиной образца — по закону Бугера–Ламберта–Бера пропускание уменьшается экспоненциально с ростом толщины.
- Наличием добавок — оксиды церия, титана, ванадия и других элементов используют для создания стекла с заданными свойствами в ультрафиолетовой области.
¶Применение
Знание о пропускании ультрафиолета стеклом используется в:
- Медицине — бактерицидные облучатели с кварцевыми колбами для обеззараживания воздуха и поверхностей;
- Автомобилестроении — лобовые стёкла из ламинированного стекла задерживают значительную часть ультрафиолета;
- Строительстве — стеклопакеты с антиуф-покрытиями для защиты интерьера и людей;
- Науке — спектрофотометрия, люминесцентный анализ, фотохимия;
- Сельском хозяйстве — теплицы со стеклом, пропускающим ультрафиолет для фотосинтеза и фитосанитарных целей.
¶Интересные факты
- Обычное оконное стекло задерживает около 97 % UV-B, но пропускает до 75 % UV-A.
- Кварцевая лампа работает именно потому, что её колба из кварцевого стекла пропускает ультрафиолетовое излучение ртутного разряда (253,7 нм), которое обычное стекло полностью поглощает.
- Витамин D синтезируется в коже под действием UV-B (290–315 нм); за обычным оконным стеклом этот процесс практически не идёт.
¶Источники
- Фролов В. П. «Оптика» — учебник по физической оптике.
- Батырин В. М. «Стекло и стеклование» — справочник по составу и свойствам стекол.
- ГОСТ 3511-2012 «Стекло оконное. Технические условия».
- Статьи о кварцевом стекле и ультрафиолетовом излучении в физических энциклопедиях.