بحث الأشعة فوق البنفسجية , الأشعة فوق البنفسجية

الأشعة فوق البنفسجية ( بالإنجليزية : Ultraviolet ) هي موجة كهرطيسية ذات طول موجي أقصر من الضوء المرئي لكنها أطول من الأشعة السينية سميت بفوق البنفسجية لأن طول موجة اللون البنفسجي هو الأقصر بين ألوان الطيف. و طول موجاتها يبدأ من 400 نانومتر إلى 10 نانومتر، و طاقتها تبدأ من 3 eV إلى 124 eV.

وتوجد أشعة فوق البنفسجية في أشعة الشمس، وتنبعث بواسطة التقوس الكهربي أو الضوء الأسود. وكما هي أشعة مؤينة (أي تفصل إلكترونات عن ذراتها) فقد تسبب تفاعلا كيميائيا، وتجعل العديد من المواد متوهجة أو مسفرة. وقد ادرك الكثير من الناس تأثير الأشعة فوق البنفسجية على الجسم مسببة حالات من ضربة شمس، ولكن طيف تلك الأشعة لها تأثيرات أخرى قد تكون مفيدة أو مضرة لصحة البشر.

كان اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية متعلقا بمشاهدة علمية بأن أملاح الفضة تصبح داكنة أكثر بعد تعرّضها لضوء الشمس. ففي عام 1801 لاحظ الفيزيائي الألماني جون فيلهلم رايتر (بالألمانية: Johann Wilhelm Ritter) أن أشعة غير مرئية، طول موجتها أقصر من اللون البنفسجي -التي هي نهاية الطيف المرئي-، ناجعة بشكل خاص في زيادة دكانة لون ورق الفضة المشبع بالكلوريد فقام بتسميتها "الأشعة المؤكسدة" ليشدد على تفاعلها الكيميائي ولتمييزها عن "الأشعة الحارة" التي هي بالطرف الآخر من الطيف. تم اعتماد الاسم "الاشعة الكيميائية" بعد ذلك بفترة وجيزة وبقي هذا الاسم قيد الاستعمال خلال القرن التاسع عشر. في نهاية الأمر سقط من الاستعمال التعبيران أشعة كيميائية وأشعة حارة واستعمل التعبيران الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء على التوالي. تسمى الاشعة فوق بنفسجية ماتحت 200 نانومتر بالفراغية لأن الهواء يمتصها بقوة، وقد اكتشفها الفيزيائي الألماني فيكتور شومان عام 1893

تعود الترجمة الحرفية للكلمة إلى الأصل اللاتيني (Ultra Violet). بما أن الأشعة فوق بنفسجية هي أقصر من البنفسجية إلا أنها غير مرئية.

بتقنية الطباعة الحجرية (photolithography) والليزر تستخدم أشعة فوق بنفسجية عميقة (DUV أو Deep UV) وهو للأطوال الموجية التي أقل من 300 ن م. سميت الأشعة الفراغية بهذا الاسم لأن الهواء يمتصها بقوة، لذا فاستخداماتها تكون بالفراغ فقط. في النطاق الموجي ما بين 150–200 ن م فإن الإكسجين هو العنصر القوي الذي يمتص تلك الأطوال الموجية، لذا فالعمليات الصناعية التي تحتاج لتلك الموجات يجب أن تتم في جو خالٍ تماما من الأكسجين، ويستخدم عنصر النيتروجين النقي بشكل عام هنا ليمنع الحاجة إلى غرف فراغية.

الضوء الأسود أو إنارة وود (نسبة إلى العالم روبرت وليامز وود)، هي إنارة تصدر اشعة فوق بنفسجية طويلة وبعضا من الضوء المرئي. وهي عموما معروفة باسم "أشعة فوق بنفسجية طويلة" (بالإنجليزية: UV light). تتم الإضاءة الفلورية السوداء بنفس طريقة الإضاءة الفلورية العادية فيما عدا انها تستخدم الفوسفور فقط وغطاء المصباح الزجاجي يستبدل بغطاء زجاجي لونه بنفسجي غامق مزرق ويسمى زجاج وود، وهو زجاج مغلف بأكسيد النيكل لكي يمنع أي ضوء مرئي ذو طول موجي أعلى من 400 نانومتر. مسميات تلك المصابيح حسب الصنع مثل "ضوء أسود ذو زرقة" أو "blacklight blue" أو بالمختصر "BLB" لتمييزها عن مصابيح أجهزة صائدة الحشرات ("bug zapper" blacklight "BL") والتي لاتحتوي على لون زجاج وود الأزرق. الفوسفور المستخدم للموجة القريبة ذات انبعاث موجي 368 إلى 371 ن.م إما أن يكون رباعي فلوربورات سترونتيوم مغلف بيوروبيوم (SrB4O7F:Eu2+) أو بورات السترونتيوم (SrB4O7:Eu2+) بينما يستخدم الفوسفور لإنتاج إضاءة أعلى 350 إلى 353 ن.م وهو سليكات الباريوم المغلفة بالرصاص (BaSi2O5:Pb+). مصابيح الضوء الأسود الزرقاء هي 365 ن.م.

ينتج الضوء الأسود إنارة في نطاق موجة فوق البنفسجية، ويقتصر طيفها على حقل الموجة الطويلة "UVA". على النقيض منها عند الموجات UVB و UVC، اللذان لهما تأثيرات صحية خطيرة ومدمرة لمادة DNA وتؤدي إلى الإصابة بسرطان الجلد. الضوء الأسود له محدودية الطاقة الصادرة منه والموجات الطويلة، لذا لايسبب بحروق الشمس، ولكن الموجات الطويلة تلك قادرة على الإضرار بألياف الكولاجين وتدمير فيتامين ألف الموجود بالجلد.

ويمكن إنتاج الضوء الأسود عن طريق استبدال الزجاج الشفاف بزجاج وود كغطاء للمصباح العادي. ويعتبر ذلك أول مصدر لإنتاج الضوء الأسود. وإن كان البديل الرخيص لطريقة الفلورسنت، لكنها وبصورة استثنائية غير فعال لإنتاج إنارة فوق بنفسجية (أقل من 0.1% من الطاقة الداخلة) نظرا لطبيعة الجسم الأسود في مصدر المصباح العادي. فمصابيح فوق البنفسجية الساطعة وبسبب عدم كفاءتها، فقد تكون لها الخطورة بسبب حرارتها خلال الاستخدام. ومن النادر إيجاد المصابيح السوداء من بخار الزئبق ذات طاقة عالية (مئات من الواط) استخدام الأشعة فوق البنفسجية بانبعاث الفوسفور وتكون مغلفة بزجاج وود. تلك المصابيح تستخدم بشكل أساسي بشاشات عرض المسارح والحفلات الموسيقية ولكنها تكون حارة جدا خلال استعمالها.

بعض مصابيح الفلورسنت فوق البنفسجية تكون مصممة بشكل يجذب الحشرات إليها، وهي تستخدم كصائد للحشرات وتستخدم نفس الفوسفور المستخدم للموجة القريبة في المصابيح السوداء، ولكنها تستخدم زجاج شفاف بدلا من زجاج وود المكلف بالسعر. فالزجاج الشفاف أقل منعا لإنبعاثات طيف الزئبق المرئية، مما يجعل لونه أزرق أمام العين المجردة. ويرمز إلى تلك المصابيح بالضوء الأسود (Black Light) أو BL حسب كتالوجات الإنارة.

ويمكن توليد إضاءة فوق بنفسجية عن طريق صمام ثنائي باعث للضوء.

تنبعث الأشعة فوق بنفسجية من الشمس على شكل أحزمة من الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة, ولكن بسبب امتصاص آوزون الطبقة الجو العليا لها, فإن 99% من الإشعاع الذي يصل سطح الأرض يكون من الحزمة الطويلة UVA. (للعلم فإن الحزم المتوسطة والقصيرة من الموجات فوق بنفسجية تكون لها المسؤولية المباشرة لتكوين طبقة الآوزون).

الزجاج الطبيعي يكون شفاف جزئيا للموجة الطويلة من فوق البنفسجية ولكنه معتم للموجات الأقصر, والسيليكا المحروقة أو الكوارتز المحروقة حسب الجودة لها خاصية الشفافية حتى للموجات الفراغية. زجاج النوافذ العادي يمكنه تمرير حوالي 90% من الضوء ذو الطول الموجي فوق 350 نانومتر, لكنه يمنع حوالي 90% من الضوء الذي أقل من300 ن م.

الموجة الفراغية تبدأ من 200 نانومتر, سميت بهذه التسمية لأن الهواء العادي يعتم الموجات ذات الطول أقل 200 نانومتر, وذلك بسبب شدة امتصاص الأكسجين الموجود بالهواء لهذا الطول الموجي. أما النيتروجين النقي يكون شفاف للموجات ما بين 150-200 ن م. وهذه الطريقة مهمة صناعيا لأن عمليات التصنيع لأشباه الموصلات تستخدم ترددات ذات طول موجي أقل من 200 ن م. وبالعمل في مكان خالي من الأكسجين، فإن المعدات التي لا بد أن تجهز على تحمل الاختلاف بالضغط المطلوب للعمل في الفراغ. بعض الأجهزة العلمية مثل مطياف حلقة ثنائية اللون (circular dichroism spectrometer) تعقم بالنتروجين وهي تعمل في هذا النطاق الطيفي.

Extreme UV وهي الموجات فوق بنفسجية القصوى امتازت بالتفاعل مع المادة: الموجات التي أطول من 30 ن م تتفاعل كيميائيا مع الإلكترونات المتعادلة أو المتكافئة للتلك المادة (تكون بالمدار الخارجي), بينما الموجات التي أقصر من ذلك تتفاعل مع الإلكترونات التي بالمدار الداخلي ومع النواة أيضا. نهاية الطول الطيفي للأشعة الفوق بنفسجية العظمى EUV/XUV يحدد بواسطة الخط الطيفي المرتفع للهيليوم (He+) عند الطول 30.4 ن م. معظم المواد المعروفة تمتص بقوة هذه الأشعة, ولكن بالإمكان إنتاج أجهزة بصرية متعددة الطبقات تعكس حوالي 50% من إشعاع تلك الموجة فوق بنفسجية القصوى على زاوية سقوط عادية.هذه التكنولوجيا تستخدم بالتلسكوبات في حالات التصوير الشمسي وهي موجودة بصواريخ الرصد الشمسي خلال التسعينات. وأيضا الطباعة على الرقائق السليكونية لعمل الدارات الكهربية.

تطبيقات طبية

«التعرض لأشعة فوق بنفسجية التي تأتي مع ضوء الشمس يعتبر بيئيا عامل مسرطن للبشر. التأثير السام لفوق البنفسجي الناشئ من ضوء الشمس أو مصابيح العلاج الاصطناعي هما أمران مقلقان للصحة البشرية, فتأثيرات الإشعاع الخطيرة على الجلد تشمل التهاب الحروق والتهابات الجلد ولفح الشمس وإضعاف جهاز المناعة الجسم. » – Matsumura and Ananthaswamy، 2004

يستطيع إشعاع فوق البنفسجي الطويل UVA والمتوسط UVB والقصير UVC أن يدمر ألياف بروتين الكولاجين وبالتالي يسرع بشيخوخة الجلد. الأشعة الطويلة UVA والمتوسطة UVB يمكنهما تحطيم فيتامين أ الموجود بالجل

نبدأ بالموجة الطويلة UVA، فقد كان ينظر إليها في السابق بأنها الأقل خطورة, ولكنها اليوم تعرف بأنها تعجل بسرطان الجلد خلال تخريب غير مباشر للحمض النووي DNA. فهي تنتشر بعمق لكنها لا تسبب حروق الشمس ولا احمرار بالجلد ولا يوجد فحص طبيا لها ولكن الواقي الشمسي (sunscreen) يتمكن من اعتراضها واعتراض UVB معها. وبما أنها لا تخرب الحمض النووي بشكل مباشر كالأشعة المتوسطة والقصيرة ولكنها تستطيع توليد وسط كيميائي شديد التفاعل، مثل جذور هيدروكسيل والأكسجين والتي تساهم بدورها بتدمير حمض النووي. وقد ألقى بعض العلماء اللوم بأن أمراض الجلد الخطيرة التي أصابت مستخدمي الواقيات الشمسية سببه عدم وجود مرشحات لتلك الموجة في الواقيات.

أما الموجة المتوسطة UVB فهي مسببة للسرطان الجلد وتدمر ألياف الكولاجين ولكن بوتيرة أبطأ من UVA، من خلال التخريب المباشر للحمض النووي. فالإشعاع يهيج جزيئات الحمض النووي في خلايا الجلد، مسببة بروابط تساهمية شاذة تتشكل ما بين قواعد السيتوزين ومنتجة وحدات ثنائية. فعندما يأتي دنا بوليميريز ليزيد من فتيلة هذا الجزء من الدي أن أي، فإنها تقرأ الوحدة الثنائية ب "AA" وليس بالقراءة الأصلية "CC"، مسببا بإعادة تشكيل روابط قاعدة البيانات الثايمين إلى ثنائي الثايمدين مما يشوه شكل لولب ال DNA ويوقف التناسخ ويظهر الفجوات ويمنع الاندماج. وقد تظهر الطفرة الجينية مما يسبب بالنمو السرطاني, تلك الطفرة الجينية المسببة من الأشعة الفوق بنفسجية من السهولة ملاحظتها بزراعة البكتيريا, هذه الرابط السرطاني يعتبر من الأسباب التي تدعو للاهتمام حول ظهور ثقب الآوزون. وكمقاومة للإشعاع الفوق بنفسجي يميل الجسم إلى للاسمرار عند تعرضه لمستوى معقول من إشعاع UVA (حسب نوع الجلد) وتصبح الصبغة البنية قاتمة بينما UVB يحدث إنتاج جديد. هذا الاسمرار يوقف انتشار الفوق بنفسجية كما يمنع التخريب القوي لأنسجة الجسم الضعيفة. هناك مستحضرات تجميل وتستعمل لاسمرار البشرة وكحاجز أو مانع للضوء وهي تمنع الأشعة الفوق بنفسجية جزئيا ومعظمها يحتوي وصف كمية قياس الوحدة لحماية الجسم من الشمس وهي تستعمل للحماية من أشعة ال UVB المسئولة عن حروق الشمس لكنها لا تستطيع الحماية من الUVA كما أسلفنا سابقا, وحاليا ظهرت بالأسواق مستحضرات حماية جديدة تحتوي مركبات مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (Titanium dioxide ) التي تستطيع مقاومة الأشعة الطويلة للفوق بنفسجية UVA وهناك مستحضرات طبيعية واعشاب للحماية من الأشعة الفوق بنفسجية وتسمى باللاتيني (Phlebodium aureum).

ازدياد كثافة الموجة المتوسطة UVB له خطورة للعين, والتعرض له يسبب أمراض للعين كماء العين, والأفضل استعمال النظارات الحماية لتغطية العين بالكامل للأشخاص الذين قد يتعرضون للإشعاع الفوق بنفسجي, خاصة الموجة القصيرة UVC, متسلقي الجبال أكثر عرضة للأشعة الفوق بنفسجية من الأشخاص العاديين وذلك بسبب ضعف الغلاف الجوي (عند تلك المرتفعات) الذي يصفي تلك الإشعاعات، وبسبب انعكاس الثلوج لها. نظارات الزجاجية العادية تعطي حماية بسيطة, لكن أكثر العدسات البلاستيك حمايتها أقوى من الزجاجية, والسبب كما شرحناه سابقا أن الزجاج له خاصية تمرير الموجات الطويلة UVA فقط بينما البلاستيك الأكريليكي خاصية المرور للعدسات هي اقل, بعض مواد العدسات البلاستيك مثل البولي كاربونات(وهي مادة ذات عزل عال ومقاوم للحرارة) تمنع جميع الأشعة الفوق بنفسجية. عموما للعدسات خاصية الحماية من الأشعاع ولكن حتى تلك الحماية لايمكنها المنع التام للأشعة الفوق بنفسجية عن العين