In fisica, la radiazione ultravioletta [comp. di ultra- (dal latino, oltre, superiore) e violetto (la frequenza della luce color violetto)], spesso abbreviata in UV e anche conosciuta come raggi UV o luce UV, è considerata la radiazione dello spettro elettromagnetico compresa tra la luce visibile e i raggi X, con una banda di frequenze superiori al violetto, da circa 7,5∙1014 a 7,5∙1016 Hz (estesa per meno di 7 ottave) e con le rispettive lunghezze d'onda da circa 400 a 4 nm. La radiazione ultravioletta costituisce circa il 10% della luce emessa dal Sole e viene inoltre prodotta da gas ionizzati e particolari lampade (lampade a vapori di mercurio e lampade di Wood).
I raggi UV sono invisibili agli occhi umani, che normalmente non percepiscono la luce con lunghezza d'onda inferiore ai 390 nm. Tuttavia, ci sono delle eccezioni: in determinate condizioni, bambini e ragazzi riescono a percepire l’ultravioletto fino a 310 nm. Il cristallino, in generale, filtra le frequenze UV-B o maggiori, ma persone affette da patologie come l'afachia (assenza del cristallino) possono vedere anche nella banda UV. La radiazione UV vicina alle lunghezze d'onda visibili per l'uomo, può essere vista dagli insetti, da alcuni mammiferi e da molti uccelli.
La radiazione UV è fortemente attinica, possiede un grande potere ionizzante e fotoelettrico, dà luogo a fluorescenza e fosforescenza in varie sostanze, e ha notevoli effetti biologici, tra i quali l’alterazione della struttura del DNA. Le UV a maggiore lunghezza d’onda (da ~ 200 a 400 nm), possono causare reazioni chimiche, come bagliori o i fenomeni di fluorescenza.
Gli effetti biologici degli UV, dovuti alla loro interazione con molecole organiche, sono responsabili dei fenomeni quali la abbronzatura, le efelidi e gli eritemi solari; inoltre rappresentano la causa principale di tumori della pelle. Qualsiasi organismo vivente verrebbe seriamente danneggiato dai raggi UV provenienti dal Sole, se una buona parte della radiazione non fosse filtrata dall'atmosfera terrestre. Una corta lunghezza d’onda degli ultravioletti, inferiore ai 121 nm, ionizza l’aria in modo così rapido da essere assorbita quasi totalmente, prima che raggiunga il suolo. D'altronde l’ultravioletto è anche responsabile del rafforzamento delle ossa, partecipando alla formazione della vitamina D, nella maggior parte dei vertebrati terrestri, quindi l'UV ha effetti sia benefici sia dannosi per la salute dell’uomo (dipende molto dalla dose).
Storia La radiazione ultravioletta fu scoperta nel 1801, quando il fisico tedesco Johann Wilhelm Ritter notò che il cloruro d'argento era fotosensibile, cioè diventava scuro in presenza di "raggi invisibili" (UV) appena sotto la fine dello spettro visibile del violetto. Li chiamò "raggi ossidanti" per sottolineare la reazione chimica e distinguerli dai raggi infrarossi, scoperti l'anno prima nell'altra estremità dello spettro visibile. Tuttavia fino al XIX secolo furono chiamati "raggi chimici", sebbene vi fossero scienziati, come per esempio John William Draper"On a new Imponderable Substance and on a Class of Chemical Rays analogous to the rays of Dark Heat", J.W. Draper, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1842, LXXX, pp.453–461J.W. Draper, "Description of the Tithonometer", Phil. Magazine, 23, pp. 401-415, 1843, che li ritenevano una sorta di radiazione completamente diversa dalla luce. Nel 1878 fu scoperta la proprietà sterilizzante della luce a piccole lunghezze d'onda sui batteri e dal 1960 fu riconosciuto l'effetto degli UV sul DNA.James Bolton, Christine Colton, The Ultraviolet Disinfection Handbook, American Water Works Association, 2008 , pp. 3–4
La scoperta della radiazione ultravioletta sotto i 200 nm, chiamata ultravioletto da vuoto (Vacuum Ultraviolet) perché fortemente assorbita dall'aria, risale al 1893 ad opera del fisico tedesco Victor Schumann.The ozone layer protects humans from this.
Descrizione
L'UV può essere suddiviso in differenti bande, diversamente definite a seconda dei campi di studio. La suddivisione più immediata è: UV vicino o prossimo (380-200 nm) e UV estremo (200-10 nm). Qualora si consideri l'effetto dei raggi UV sulla salute umana, la gamma delle lunghezze d'onda UV è in genere suddivisa in: UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) e UV-C (280-100 nm).
Il Sole emette fotoni in una vasta gamma di frequenze, coprendo quelle della luce ultravioletta in tutte e tre le bande UV-A, UV-B e UV-C, ma a causa dell'assorbimento da parte dell'ozonosfera circa il 99% degli ultravioletti che raggiungono la superficie terrestre sono UV-A. Infatti quasi il 100% degli UV-C e il 95% degli UV-B sono assorbiti dall'atmosfera terrestre. L'intensità di queste radiazioni è espressa con l'indice UV, indice universale della radiazione UV solare, riportata nelle previsioni meteorologiche.
Molti uccelli e molti insetti, come le api, possono vedere l'ultravioletto vicino, e i fiori hanno spesso colorazioni a loro visibili.
Le porzioni di radiazione ultravioletta di alta frequenza sono considerate radiazioni ionizzanti.
Bande Lo Standard ISO sulla determinazione dell'irradiamento solare (ISO-21348) descrive i seguenti intervalli:
NomeAbbreviazione Intervalli di lunghezza d'onda(espressi in nanometri)Energia per fotone(in elettronvolt)Note / nomi alternativiUltraviolettoUV400 – 10 3,10 – 124Ultravioletto AUVA400 – 315 3,10 – 3,94Onde lunghe UV, luce nera o luce WoodUltravioletto BUVB315 – 280 3,94 – 4,43Onde medie UVUltravioletto CUVC280 – 100 4,43 – 12,4Onde corte UV, germicidaUltravioletto VicinoNUV400 – 300 3,10 – 4,13Intervallo spesso visibile a diverse specie di uccelli, insetti e pesciUltravioletto MedioMUV300 – 200 4,13 – 6,20Ultravioletto LontanoFUV200 – 122 6,20 – 10,16Riga Lyman-alfa dell'idrogenoH Lyman-α122 – 121 10,16 – 10,25Linee spettrali a 121,6 nm, 10,20 eV. Radiazione ionizzante a lunghezze d'onda più corteUltravioletto da vuotoVUV200 – 10 6,20 – 124Fortemente assorbita dall'ossigeno atmosferico, anche se le lunghezze d'onda tra 150—200 nm si propagano attraverso l'azotoUltravioletto EstremoEUV121 – 10 10,25 – 124Radiazione completamente ionizzata (secondo alcune definizioni); completamente assorbita dall'atmosfera
Ultravioletto solare
Oggetti molto caldi, a causa dell'emissione di corpo nero, emettono radiazione UV. Il Sole emette radiazione ultravioletta a tutte le lunghezze d’onda, incluso l'ultravioletto da vuoto e persino lunghezze d'onda inferiori a 10 nm (Raggi X). Le stelle particolarmente calde emettono più UV del Sole. La luce solare nell'atmosfera terrestre più esterna è composta per circa il 50% di luce infrarossa, per il 40% di luce visibile e per il 10% di luce ultravioletta, per una intensità totale di circa 1400 W/m2 nel vuoto.
Le percentuali della luce solare che raggiungono la superficie terrestre diventano: 44% luce visibile, 3% ultravioletto quando il Sole è alla massima altezza nel cielo (zenit) e il rimanente infrarosso. Quindi, l'atmosfera blocca circa il 77% dei raggi UV del sole e quasi totalmente le lunghezze d’onda minori quando il sole raggiunge lo zenit. Della radiazione ultravioletta che raggiunge la superficie terrestre, oltre il 95% è rappresentato dagli UVA con lunghezza d’onda maggiore, una piccola parte dagli UVB. Sostanzialmente non ci sono gli UVC. La frazione che rimane degli UVB nella radiazione UV, dopo essere passata attraverso l’atmosfera, dipende dalle condizioni atmosferiche: nuvole dense bloccano efficientemente gli UVB mentre nei cieli parzialmente nuvolosi non tutti gli UVB sono bloccati, ma vengono diffusi in tutte le direzioni dell'atmosfera. Questo effetto è prodotto dallo Scattering di Rayleigh, responsabile anche della colorazione blu del cielo.
Le lunghezze d'onda più corte degli UVC, così come la radiazione UV più energetica prodotta dal Sole, sono assorbite dall'ossigeno e generano ozono. Lo strato dell'atmosfera dove si concentra questa forma allotropica dell'ossigeno viene detta ozonosfera. Il meccanismo di produzione dell'ozono è causato dalla fotolisi mediante UV dell'ossigeno biatomico e la successiva reazione con molecole di ossigeno biatomico (). L’ozonosfera ha un'importanza fondamentale in quanto assorbe la maggior parte degli UVB e dei rimanenti UVC non assorbiti dall'ossigeno.
Chimica degli UV La radiazione UV porta alla degradazione UV dei materiali organici. Per prevenire questo decadimento si utilizzano delle molecole in grado di assorbire parte della radiazione. A loro volta esse possono subire gli effetti negativi degli UV, rendendo necessario verificare periodicamente la loro capacità di assorbire la radiazione.
Nei prodotti cosmetici per la protezione solare ci sono sostanze capaci di assorbire i raggi UVA/UVB quali: avobenzone e octyl methoxycinnamate. Per gli indumenti, il fattore di protezione ultravioletta UPF (dall'inglese: Ultraviolet Protection Factor) rappresenta l’indice di protezione dagli UV, analogo al SPF (Sun Protection Factor) per i filtri solari. Solitamente i tessuti estivi hanno un UPF di circa 6, il che significa che approssimativamente il 20% degli UV riesce ad attraversare il tessuto.
Il vetro comune è in parte trasparente agli UVA, ma è opaco per lunghezze d’onda più corte, mentre nel quarzo, in base alla qualità, può essere trasparente persino alle lunghezze d’onda dell'ultravioletto da vuoto.
Attraverso il comune vetro delle finestre passa circa il 90% della luce con frequenze sopra i 350 nm, invece quella sotto i 300 nm viene attenuata indicativamente per il 90% come dire che ci può passare all'incirca solo il 10%.
Conservare delle nanoparticelle in contenitori di vetro oscurato evita di far avvenire delle reazioni chimiche che provocano il cambiamento di colore a causa degli UV. A tal proposito, un insieme di filtri di vetro è stato utilizzato per calibrare i colori della fotocamera della missione 2019 ESA Mars, per evitare una scarsa qualità delle immagini a causa dell’alto livello di UV presente sulla superficie di Marte.
Il vetro di Wood è uno speciale tipo di vetro inventato da Robert Williams Wood e ha una composizione di bario-sodio-silicato che incorpora circa il 9% di ossido di nichel. È un vetro di un colore blu-violetto molto profondo che lo rende opaco a tutta la luce visibile eccetto al rosso e al violetto.
Astronomia
I corpi celesti molto caldi emettono principalmente luce ultravioletta (legge di Wien). È difficile osservare questa luce da terra, perché lo strato di ozono ne blocca la maggior parte. Quindi quasi tutte le osservazioni UV sono condotte nello spazio, usando satelliti con a bordo telescopi e rilevatori operanti nell'ultravioletto.
Fonti artificiali Lampada di Wood