Tia cực tím là gì?

Tia cực tím là một loại bức xạ điện từ có khả năng diệt trùng bề mặt, tuy nhiên, tiếp xúc quá nhiều với bức xạ tia cực tím sẽ gây tổn hại đến các mô sống.

Bức xạ điện từ đến từ mặt trời và được truyền dưới dạng sóng hoặc hạt ở các bước sóng và tần số khác nhau. Dải bước sóng rộng này được gọi là phổ điện từ (EM) . Phổ thường được chia thành bảy vùng theo thứ tự bước sóng giảm dần, năng lượng và tần số tăng dần. Các chỉ định phổ biến là sóng vô tuyến, vi sóng , hồng ngoại (IR), ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím (UV), tia X và tia gamma .

Tia cực tím (UV) nằm trong dải phổ EM giữa ánh sáng nhìn thấy và tia X. Nó có tần số khoảng 8 × 10 14 đến 3 × 10 16 chu kỳ mỗi giây, hoặc hertz (Hz) và bước sóng khoảng 380 nanomet (1,5 × 10 −5 inch) đến khoảng 10 nm (4 × 10 −7 inch) . Theo ” Hướng dẫn bức xạ tia cực tím ” của Hải quân Hoa Kỳ , UV thường được chia thành ba dải phụ:

• UVA, hoặc gần UV (315–400 nm)
• UVB, hoặc UV trung bình (280–315 nm)
• UVC, hoặc tia cực tím xa (180–280 nm)

Hướng dẫn tiếp tục nêu rõ, “Các bức xạ có bước sóng từ 10 nm đến 180 nm đôi khi được gọi là chân không hoặc cực tím.” Các bước sóng này bị chặn bởi không khí, và chúng chỉ truyền trong chân không.

Sự ion hóa

Bức xạ UV có đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết hóa học. Do năng lượng cao hơn của chúng, các photon UV có thể gây ra sự ion hóa , một quá trình trong đó các electron bứt ra khỏi nguyên tử. Khoảng trống làm ảnh hưởng đến tính chất hóa học của các nguyên tử và khiến chúng hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học. Điều này có thể hữu ích cho quá trình xử lý hóa học, hoặc nó có thể gây hại cho các vật liệu và mô sống. Điều này trở thành tính “hai mặt” của tia UV khi chúng vừa có khả năng khử trùng nhưng cũng có thể gây hại cho con người.

Hiệu ứng tia cực tím

Hầu hết các tia UV tự nhiên mà mọi người gặp phải đến từ mặt trời. Tuy nhiên, chỉ khoảng 10% ánh sáng mặt trời là tia cực tím và chỉ khoảng 1/3 trong số này xuyên qua bầu khí quyển để tới mặt đất. Trong số năng lượng tia cực tím mặt trời đến đường xích đạo, 95 phần trăm là tia UVA và 5 phần trăm là tia UVB. Không có tia UVC nào có thể đo được từ bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt Trái đất, vì ozone, oxy phân tử và hơi nước trong tầng khí quyển trên hấp thụ hoàn toàn các bước sóng UV ngắn nhất. Tuy nhiên, “bức xạ tia cực tím phổ rộng [UVA và UVB] là bức xạ mạnh nhất và gây hại nhất cho sinh vật”.

Cháy nắng

Da bị cháy nắng là một phản ứng khi tiếp xúc với tia UVB có hại. Về cơ bản, nắng là kết quả của cơ chế bảo vệ tự nhiên của cơ thể. Cơ chế này bao gồm một sắc tố gọi là melanin, được sản xuất bởi các tế bào trong da gọi là tế bào hắc tố. Melanin hấp thụ tia UV và phân tán nó dưới dạng nhiệt. Khi cơ thể cảm nhận được tác hại của ánh nắng mặt trời, nó sẽ gửi melanin vào các tế bào xung quanh và cố gắng bảo vệ chúng khỏi bị tổn thương nhiều hơn. Sắc tố khiến da sạm đi.

“Melanin là một loại kem chống nắng tự nhiên ,” Gary Chuang, phó giáo sư da liễu tại Trường Y Đại học Tufts, nói với Live Science trong một cuộc phỏng vấn năm 2013. Tuy nhiên, tiếp tục tiếp xúc với bức xạ tia cực tím có thể áp đảo khả năng phòng vệ của cơ thể. Khi điều này xảy ra, phản ứng độc hại xảy ra, dẫn đến cháy nắng . Tia UV có thể làm hỏng DNA trong tế bào của cơ thể. Thông thường, trong vòng nửa ngày sau khi phơi nắng quá mức, da sẽ chuyển sang màu đỏ hoặc xạm đi, dễ nhận biết bằng mắt thường.

Đôi khi các tế bào có DNA bị đột biến do tia nắng mặt trời biến thành các tế bào có vấn đề không chết nhưng vẫn tiếp tục sinh sôi như ung thư. Chuang cho biết: “Tia UV gây ra những thiệt hại ngẫu nhiên trong quá trình sửa chữa DNA và DNA để các tế bào có được khả năng tránh chết. Những người bị cháy nắng liên tục có nguy cơ bị ung thư cao hơn nhiều. Theo Tổ chức Ung thư Da, nguy cơ mắc dạng ung thư da nguy hiểm nhất , được gọi là u ác tính , tăng gấp đôi đối với những người bị cháy nắng từ 5 lần trở lên, theo Tổ chức Ung thư Da.

Các nguồn UV khác

Một số thiết bị nhân tạo đã được tạo ra để tạo ra bức xạ UV. Theo Hiệp hội Vật lý Y tế , “Các nguồn nhân tạo bao gồm đèn diệt khuẩn, đèn hơi thủy ngân, đèn halogen, đèn phóng điện cường độ cao, nguồn huỳnh quang và sợi đốt và một số loại laser.”

Một trong những cách phổ biến nhất để tạo ra tia UV nhân tạo hiện nay là cho dòng điện chạy qua thủy ngân hóa hơi hoặc một số loại khí khác. Loại đèn này thường được sử dụng trong các gian hàng thuộc da và để khử trùng bề mặt. Đèn cũng được sử dụng trong ánh sáng đen làm cho sơn huỳnh quang và thuốc nhuộm phát sáng. Điốt phát quang (đèn LED), tia laser và đèn hồ quang cũng có sẵn dưới dạng nguồn UV với các bước sóng khác nhau cho các ứng dụng công nghiệp, y tế và nghiên cứu.

Huỳnh quang

Nhiều chất – bao gồm khoáng chất, thực vật, nấm và vi khuẩn, cũng như các hóa chất hữu cơ và vô cơ – có thể hấp thụ bức xạ UV. Sự hấp thụ làm cho các electron trong vật liệu tăng lên mức năng lượng cao hơn. Các electron này sau đó có thể quay trở lại mức năng lượng thấp hơn trong một loạt các bước nhỏ hơn, phát ra một phần năng lượng hấp thụ của chúng dưới dạng ánh sáng nhìn thấy. Các vật liệu được sử dụng làm chất màu trong sơn hoặc thuốc nhuộm thể hiện huỳnh quang như vậy sẽ sáng hơn dưới ánh sáng mặt trời vì chúng hấp thụ tia cực tím không nhìn thấy được và phát lại ở bước sóng nhìn thấy được. Vì lý do này, chúng thường được sử dụng cho các biển báo, áo bảo hộ và các ứng dụng khác trong đó tầm nhìn cao là quan trọng.

Huỳnh quang cũng có thể được sử dụng để xác định vị trí và xác định một số khoáng chất và vật liệu hữu cơ. Theo Thermo Fisher Scientific, Life Technologies , “Các đầu dò huỳnh quang cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện các thành phần cụ thể của các tổ hợp phân tử sinh học phức tạp, chẳng hạn như tế bào sống, với độ nhạy và độ chọn lọc tinh tế.”

Theo Đại học Nebraska, trong các ống huỳnh quang dùng để chiếu sáng, “bức xạ cực tím có bước sóng 254 nm được tạo ra cùng với ánh sáng xanh dương phát ra khi có dòng điện chạy qua hơi thủy ngân” . “Bức xạ tia cực tím này không nhìn thấy được nhưng chứa nhiều năng lượng hơn ánh sáng nhìn thấy được phát ra. Năng lượng từ tia cực tím được hấp thụ bởi lớp phủ huỳnh quang bên trong đèn huỳnh quang và phát ra lại dưới dạng ánh sáng nhìn thấy.” Các ống tương tự không có cùng lớp phủ huỳnh quang phát ra ánh sáng UV có thể được sử dụng để khử trùng bề mặt, vì hiệu ứng ion hóa của bức xạ UV có thể giết chết hầu hết vi khuẩn.

Các ống ánh sáng đen thường sử dụng hơi thủy ngân để tạo ra ánh sáng tia UVA sóng dài, khiến một số loại thuốc nhuộm và chất màu phát huỳnh quang. Ống thủy tinh được phủ một lớp vật liệu lọc màu tím sẫm để chặn phần lớn ánh sáng nhìn thấy, làm cho sự phát sáng của huỳnh quang xuất hiện rõ nét hơn. Bộ lọc này không cần thiết cho các ứng dụng như khử trùng.

Thiên văn học UV

Ngoài mặt trời, có rất nhiều nguồn bức xạ UV từ thiên thể. Theo NASA, những ngôi sao trẻ rất lớn chiếu phần lớn ánh sáng của chúng ở bước sóng cực tím . Bởi vì bầu khí quyển của Trái đất ngăn chặn phần lớn bức xạ UV này, đặc biệt là ở bước sóng ngắn hơn, các quan sát được tiến hành bằng cách sử dụng bóng bay độ cao và kính thiên văn quỹ đạo được trang bị cảm biến và bộ lọc hình ảnh chuyên dụng để quan sát trong vùng UV của phổ EM.

Theo Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học bang Missouri, hầu hết các quan sát được thực hiện bằng thiết bị ghép điện tích (CCD), các máy dò được thiết kế để nhạy cảm với các photon có bước sóng ngắn. Những quan sát này có thể xác định nhiệt độ bề mặt của các ngôi sao nóng nhất và tiết lộ sự hiện diện của các đám mây khí xen giữa Trái đất và các chuẩn tinh.

Điều trị ung thư

Mặc dù tiếp xúc với tia UV có thể dẫn đến ung thư da, nhưng một số tình trạng da có thể được điều trị bằng cách sử dụng tia UV , theo Cancer Research UK. Trong một quy trình được gọi là điều trị bằng tia cực tím psoralen (PUVA), bệnh nhân dùng thuốc hoặc bôi kem dưỡng da để làm cho da nhạy cảm với ánh sáng. Sau đó, một tia UV được chiếu vào da. PUVA được sử dụng để điều trị ung thư hạch, bệnh chàm, bệnh vẩy nến và bệnh bạch biến.

Điều trị ung thư da với UV có vẻ trái ngược, nhưng PUVA có thể hữu ích do tác động của tia UV đối với việc sản xuất tế bào da. Nó làm chậm sự phát triển đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của bệnh.

Chìa khóa về nguồn gốc của sự sống?

Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng tia cực tím có thể đã đóng một vai trò quan trọng trong nguồn gốc của sự sống trên Trái đất, đặc biệt là nguồn gốc của RNA. Trong một bài báo năm 2017 trên Tạp chí Vật lý Thiên văn, các tác giả của nghiên cứu lưu ý rằng các ngôi sao lùn đỏ có thể không phát ra đủ ánh sáng UV để bắt đầu các quá trình sinh học cần thiết cho sự hình thành axit ribonucleic, cần thiết cho tất cả các dạng sống trên Trái đất. Nghiên cứu cũng cho thấy phát hiện này có thể giúp ích cho việc tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong vũ trụ.