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Ultraviolettstrahlung

(Weitergeleitet von Ultraviolette Strahlung)

Ultraviolettstrahlung, kurz Ultraviolett oder UV-Strahlung, umgangssprachlich auch ultraviolettes Licht, UV-Licht oder Schwarzlicht, selten auch Infraviolett-Strahlung (Abk. IV-Strahlung) ist für den Menschen unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die des für den Menschen sichtbaren Lichtes, aber länger als die der Röntgenstrahlung.

Die Bezeichnung ultraviolett (etwa „jenseits von Violett“) rührt dabei daher, dass das UV-Spektrum mit etwas kürzeren Wellenlängen als jenen beginnt, die der Mensch gerade noch als Farbe Blauviolett wahrzunehmen vermag.

Der UV-Bereich schließt sich unmittelbar links an den sichtbaren Bereich an

Entdeckung

Die Entdeckung der UV-Strahlung folgte schnell aus den ersten Experimenten mit der Schwärzung von Silbersalzen im Sonnenlicht. Im Jahr 1801 machte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter die Beobachtung, dass Strahlen gerade jenseits des violetten Endes im sichtbaren Spektrum unglaublich effektiv waren im Schwärzen von Silberchloridpapier. Er nannte die Strahlen zunächst „de-oxidierende Strahlen“, um ihre chemische Wirkungskraft zu betonen und sie von den infraroten „Wärmestrahlen“ am anderen Ende des Spektrums zu unterscheiden. Bis ins 19. Jahrhundert wurde UV als „chemische Strahlung“ bezeichnet. Heutzutage werden aber nur noch die Namen „Infrarotstrahlung“ und „Ultraviolettstrahlung“ verwendet, um die beiden unterschiedlichen Strahlungsarten zu charakterisieren.[1]

Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man die heilende Wirkung der künstlichen UV-Strahlung. So berichtete der österreichische Arzt Gustav Kaiser (1871–1954), der sich in Würzburg mit elektrotherapeutischen Studien beschäftigt hatte, in der Vollversammlung der Gesellschaft der Ärzte Wiens im Februar 1902 über den Selbstversuch mit einer UV-Glühlampe, mit deren Hilfe er die Gesundung einer nicht heilen wollenden Wunde erreichte. Eine schwer erkrankte tuberkulöse Patientin soll nach dem vorliegenden Bericht mittels des „blauen Lichtes“ in 4 Wochen geheilt worden sein. Ermutigt durch diese Erfolge dehnte Kaiser seine Versuche mit einer Hohllinse auf Hautkrankheiten aus, wobei er ebenfalls sehr günstige Ergebnisse erzielte. Er zog daraus den Schluss, dass die UV-Strahlung keimtötend wirkt.[2]

Spektrum und Bezeichnungen

Einteilung nach Wellenlänge (DIN 5031-7[3])
Name Abkürzung Wellenlängenbereich in nm Photonenenergie
Nahes UV („Schwarzlicht“) UV-A 380–315 nm 3,26–3,94 eV
Mittleres UV (Dorno-Strahlung) UV-B 315–280 nm 3,94–4,43 eV
Fernes UV UV-C-FUV 280–200 nm 4,43–6,2 eV
Vakuum-UV UV-C-VUV 200–100 nm 6,20–12,4 eV
Extremes UV[4] EUV 121–10 nm 10,25–124 eV

Gemäß DIN 5031, Teil 7[3] umfasst das ultraviolette Spektrum Wellenlängen von 100 nm bis 380 nm (Grenze zum sichtbaren Licht), die Frequenz der Strahlung reicht also von 789 THz (380 nm) bis 3 PHz (100 nm). Dieser Bereich wird wiederum in die Unterbereiche UV-A, UV-B und UV-C eingeteilt. Außerhalb der DIN existieren mehrere, sich überlappende und nicht genau definierte Unterteilungsmuster. Dies gilt insbesondere für den biologischen und dermatologischen Bereich. So reicht der UV-Bereich laut World Health Organization (WHO) von 1 nm bis 400 nm.[5]

Für UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 300 nm ist in der Fotolithographie (KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm) und der Lasertechnik der Begriff „tiefes Ultraviolett“ (englisch deep ultraviolet, DUV) gebräuchlich. Unterhalb 200 nm ist Ultraviolettstrahlung so kurzwellig bzw. energiereich, dass sie durch molekularen Sauerstoff (O2) absorbiert wird; dabei wird der molekulare Sauerstoff (O2) in zwei freie Sauerstoffradikale (2 O•) gespalten, die jeweils mit einem weiteren Molekül Sauerstoff (O2) zu Ozon (O3) weiterreagieren. UV-Strahlung mit Wellenlängen kleiner 200 nm kann sich folglich nur unter Schutzgas und die kurzwelligen Anteile unter 100 nm nur noch im Vakuum ausbreiten, daher stammt auch der Ausdruck „Vakuum-Ultraviolett“.

Eine vollständige Übersicht über die elektromagnetischen Wellenbereiche findet sich im Artikel Elektromagnetisches Spektrum.

Ultraviolettstrahlungsquellen

Bei Thermischer Strahlung wird der Anteil der UV-Strahlung durch das Plancksche Strahlungsgesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt. Durch angeregte Elektronen kann dann UV-Strahlung generiert werden, wenn deren Energie oberhalb 3,3 eV liegt. Das ist auch bei der Temperatur der Glühwendeln von Glühlampen bereits in geringem Maße gegeben, weshalb insbesondere Halogen-Glühlampen auch etwas Ultraviolett aussenden.

Veränderung der Intensitätsverteilung der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre, insbesondere die UV-Strahlung
Polarlicht über Jupiters Nordpol, vom Hubble Space Telescope im UV-Spektrum fotografiert

Natürliche Quellen

Ultraviolettstrahlung kommt in der Sonnenstrahlung vor. Wegen der Absorption in der Erdatmosphäre (besonders in der Ozonschicht) dringt jedoch vor allen Dingen UV-A- und wenig UV-B-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 300 nm bis zur Erdoberfläche vor. Bestimmte Gase, insbesondere FCKW, verschieben das Gleichgewicht in der Ozonschicht und führen zum Ozonloch – die UV-B-Exposition der Erdoberfläche nimmt dadurch zu.

Auch andere kosmische Objekte wie Pulsare, hochangeregte Gasmassen sowie die meisten Fixsterne senden UV-Strahlung aus.

Weiterhin enthält auch das Polarlicht Ultraviolettstrahlung. Weitere natürliche irdische Ultraviolettquellen sind Gewitterblitze und St.-Elms-Feuer.

Künstliche Quellen

Ultraviolettstrahlung kann künstlich hergestellt werden, häufig z. B. mit Quecksilberdampflampen:

  • in industriellen UV-Strahlersystemen; Quecksilberdampf-Mitteldruck-, -Hochdruck- und -Höchstdrucklampen (Fotolithografie, Aushärten von Harzen und Lacken, Wasser-Desinfektion)
  • in der sogenannten Höhensonne, einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe (früher zur Therapie u. a. von Akne und Rachitis verwendet)
  • in Solarien, ausgestattet mit Quecksilberdampf-Niederdruck-Röhren (UV-A, Bräunung, jedoch umstritten aufgrund möglicher Hautschädigung)
  • in den sogenannten Schwarzlichtlampen: Glühlampen mit Filter oder Quecksilberdampf-Niederdrucklampen mit Filter und Leuchtstoff für UV-A (Deko-Zwecke, Disco, mineralogische Untersuchungen)
  • Ultraviolett-Laser (Excimerlaser, neuerdings auch Diodenlaser)
  • UV-Leuchtdioden

Weitere Quellen, deren Ultraviolett-Emission jedoch zweitrangig ist, sind Gasentladungslampen (auch sog. Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren u. ä.; hierbei ist die UV-Emission jedoch gesundheitlich unbedenklich, im Gegenteil sogar gewünscht), das Lichtbogenschweißen (sämtliche elektrischen Schweißarten (MAG, MIG, WIG), die Koronabehandlung (siehe auch Ionisator) sowie alle Prozesse, bei denen ionisierte Gase oder sehr hohe Temperaturen auftreten (z. B. Laser-Materialbearbeitung, Ionenquellen, Funkenstrecken usw.)

Wechselwirkung

Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen, manche Tiere (Insekten, Vögel, Fische, Reptilien) können sie jedoch teilweise sehen. Sie zählt neben dem sichtbaren Licht und der Infrarotstrahlung zur Gruppe der optischen Strahlung, da sie gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert und/oder gebeugt werden kann.

Unterhalb einer Wellenlänge von ca. 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Strahlungsquants ausreichend, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, d. h., diese zu ionisieren. Wie auch bei Gamma- und Röntgenstrahlung bezeichnet man daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb ca. 200 nm als ionisierende Strahlung.

Physik

Gewöhnliches Fensterglas ist für einen großen Teil der ultravioletten Strahlen undurchlässig. Das gilt besonders für UV-Strahlen mit kurzen Wellenlängen (UV-B und UV-C), für UV-A ist Fensterglas jedoch durchlässig. Quarz ist für den gesamten natürlich vorkommenden UV-Bereich transparent. Normales Glas (Natron-Kalk-Glas) ist für Ultraviolettstrahlung unterhalb von 320 nm nicht durchlässig, Borosilikatglas (Jenaer Glas) lässt dagegen UV-Strahlung bis etwa 290 nm passieren. Strahlung unterhalb von 290 nm transmittiert z. B. durch natürliche oder synthetische Quarzkristalle und auch Quarzglas (Kieselglas). Weil natürlicher Quarz und auch gewöhnliches Kieselglas durch seinen Titangehalt keine UV-Strahlung unterhalb 200 nm transmittieren lässt, wird z. B. für ozongenerierende UV-Lampen synthetisches hochreines Quarzglas verwendet (z. B. in der Aufbereitung hochreinen Wassers zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen oder für die ArF-Excimerlaser-Wellenlänge 193 nm). Für noch kürzere Wellenlängen (bis herab zu 45 nm) wird einkristallines Kalziumfluorid verwendet.

Kurzwelliges Ultraviolett hoher Intensität trübt Gläser und optische Komponenten; an Optiken (z. B. für Excimerlaser) werden daher hohe Reinheitsanforderungen gestellt.

Ultraviolett regt viele Stoffe zur Fluoreszenz an.

Der Äußere Photoeffekt tritt bei Ultraviolett an allen Metalloberflächen auf; er wird in Photomultipliers u. a. an Szintillationsdetektoren zur Registrierung ultravioletter Strahlungsimpulse genutzt (Neutrinodetektor, Nachweis und Klassifizierung ionisierender Strahlung).

Chemie

UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten, aber auch zu schaffen. Es kann die Vernetzung von Monomeren initiieren oder organische Bindungen zerstören. Viele Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlung geschädigt (Trübung, Versprödung, Zerfall).

Sauerstoff wird durch kurzwellige UV-Strahlung unterhalb 200 nm in atomaren Sauerstoff gespalten, es kommt zur Bildung von Ozon und einer Vielzahl anderer Folgereaktionen (siehe Ozonschicht).

Biologie

Obwohl die Ultraviolettstrahlung die niedrigstenergetische der ionisierenden Strahlungen ist, kann sie für den Menschen und andere Organismen gefährlich werden. Auch UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits chemische Bindungen organischer Moleküle zu zerstören. Daher ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht (Sonnenschutz) oder mit technischen UV-Quellen angebracht. Auch der übermäßige Besuch von Solarien ist aus diesem Grund umstritten.

Die Wirkung der UV-Strahlung teilt sich wie folgt auf:

Bereich Wellenlänge[3] Biologische Wirkung
UV-A 315–380 nm

Lange Wellen gelangen bis zur Lederhaut und bewirken

  • direkte Pigmentierung (Konformationsänderung des Melanins) – nur Stunden anhaltende, kurzfristige Bräune, kaum Lichtschutz;
  • Schädigung der Kollagene – die Haut verliert Spannkraft und altert frühzeitig;
  • hohes Melanomrisiko durch Bildung freier Radikale;
  • sind jedoch gering erythem (Sonnenbrand erzeugend).
UV-B 280–315 nm

Kurze Wellen

  • bewirken in der Oberhaut ca. 72 Stunden verzögert Bildung von Melanin – „indirekte Pigmentierung“, „verzögerte“, langfristige Bräunung (vgl. Hautfarbe) mit echtem Lichtschutz;
  • dringen jedoch auch tiefer ein, mit stark erythemem Effekt (Sonnenbrand);
  • führen zur Bildung des anti-rachitischen Cholecalciferol (Vitamin D3) in der Haut. In dieser Rolle ist UV-B nicht nur lebensnotwendig, es wirkt auch vorbeugend gegen Krebs, auch gegen Hautkrebs.[6] Es gibt Forscher, die behaupten, dass auf jeden, der an sonnenbedingtem Hautkrebs gestorben ist, 30 Menschen kommen, die durch Vitamin D vor dem Krebstod bewahrt werden.[7]
UV-C 100–280 nm Sehr kurzwellig, gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, unterhalb etwa 200 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffs ozongenerierend.

UV-C-Strahlung (vor allem die bei niedrigem Dampfdruck, mit hoher Ausbeute (30–40 %) der angelegten elektrischen Leistung anregbare Emissionslinie des Quecksilberdampfs bei 253,652 nm) findet in der physikalischen Entkeimungstechnik eine technische Anwendung (siehe auch Quecksilberdampflampen). Während bei 280 nm (Absorptionsmaximum der meisten Proteine) die darin eingebaute Aminosäure Tryptophan die ultraviolette Strahlung absorbiert, werden bei 265 nm Nukleinsäuren am stärksten geschädigt. Bei etwa 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während Proteine hier ein relatives Absorptionsminimum zwischen dem Absorptionsmaximum um 280 nm durch aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin) und der Absorption durch die Peptidbindung zwischen den einzelnen Aminosäuren (Maximum bei etwa 220 nm) zeigen. Daher ist bei 253,7 nm (Primärstrahlung der Niederdruck-Quecksilberdampfentladung) auch die Bestrahlung von Proteinlösungen (z. B. Tierseren für die Zellkultur) zur Inaktivierung darin enthaltener Viren und Bakterien möglich.

UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 100 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor.

Die Schädigung hängt nicht nur von der Energie der UV-Strahlung ab, sondern auch von der Eindringtiefe und der Zeit der Bestrahlung des Gewebes. Beispielsweise wird UV-C-Strahlung bei 253,7 nm durch verhornte Haut praktisch schon an der Oberfläche vollständig absorbiert und ist daher weniger effektiv bei der Schädigung tieferliegender Zellschichten als UV-B-Strahlung, das schwächer absorbiert wird und bis in diese eindringt. Ein durch eine UV-C-Lampe versehentlich hervorgerufener Sonnenbrand klingt daher schon innerhalb eines Folgetages vollständig ab.

Allerhöchste Vorsicht ist jedoch bei Exposition der Augen geboten. Ultraviolett führt zu Bindehautentzündung und Trübung der Hornhaut. Daher muss zum Beispiel beim Lichtbogenhandschweißen eine Schweißblende benutzt werden –  kurzwellige UV-Strahlung kann sehr schnell zur Augenschädigung bis zur Erblindung führen. Durch Lichtbögen und auch Funkenstrecken entsteht ein breites Spektrum intensiver UV-Strahlung, das bei ungeschützter Anwendung (offen liegende Körperteile) bereits nach wenigen Minuten eine Verbrennung der Haut ähnlich einem Sonnenbrand verursacht. Die Haut fühlt sich dabei „trocken“ an und fängt an zu „spannen“. Es treten Verbrennungen 1. Grades (Rötung) bis 2. Grades (Blasenbildung) auf.

Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt. Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt.

UV-Photonen schädigen die DNA (dies ist der Mechanismus für den direkten DNA-Schaden)

DNA-Schäden entstehen durch UV-Strahlung, wenn sich zwei benachbarte Thyminbasen kovalent miteinander verbinden, sodass sie ein Thymindimer bilden. Diese behindern die Replikation oder führen zu Mutationen. Mittels des Enzyms Photolyase und Licht können diese Dimere wieder gespalten und so die DNA repariert werden. Bei allen Plazentatieren, so auch dem Menschen, wurde die Funktion der Photolyase im Laufe der Evolution durch das Nukleotid-Exzisions-Reparatursystem (NER) übernommen.[8] Bei Kindern, die an der Krankheit Xeroderma pigmentosum leiden, liegt ein Defekt der Reparaturenzyme des NER vor. Das hat eine absolute Unverträglichkeit natürlicher Sonnenstrahlung zur Folge („Mondscheinkinder“). Die Patienten entwickeln unter Exposition von natürlicher UV-Strahlung deutlich schneller maligne Hauttumoren als Menschen ohne vergleichbare Enzymdefekte.

UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung genannt, nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte. Sie bewirkt die photochemische Bildung des anti-rachitischen Calciferol (Vitamin D) in der Haut.

Der UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße. Er beschreibt die sonnenbrandwirksame solare Bestrahlungsstärke. In der Vorhersage und Warnung wird der UV-Index als maximal zu erwartender UV-Index (max. UVI) angegeben. Er variiert abhängig von der geographischen Lage, der Höhe, sowie von Jahreszeit und Wetterlage.


Weitere Schädigungen von organischen Material bzw. Materialien:

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  • Denaturierung von Zelleiweiß
  • Hohe UV-Einstrahlung auf die Lippen kann zu Herpes führen.
  • Zerstörung von Vegetation: Im UV-C-Bereich haben Pflanzen fast keinen Schutz. Blätter werden bei Bestrahlung in diesem Bereich schwer beschädigt oder abgetötet. Letzteres kann auch zum Absterben der gesamten Pflanze führen. UV-A und UV-B wird von Pflanzen unterschiedlich vertragen, hohe Intensitäten führen zum Absterben, an UV-A können sich Landpflanzen „gewöhnen“.
  • Ultraviolett erzeugt aus sogenannten Vorläufersubstanzen (Abgase) bei hoher Sonneneinstrahlung auch bodennah Ozon, welches lungenschädigend und pflanzenschädigend wirkt (Smog).
  • Schädigung von Kunststoffen, Farbpigmenten und Lacken. Organische Farben bleichen aus, Kunststoff trübt sich ein und wird spröde (Beispiel: Zerfall von Polyethylen-Folie bereits bei Tageslichteinfluss, Versprödung und Verfärbung von Kunststoffen in Leuchten für Gasentladungslampen). Schutz ist durch resistente Pigmente oder geeignete Materialwahl möglich.

Anwendungen

Übersicht elektromagnetisches Spektrum im Bereich der UV-Strahlung mit Anwendungsbereichen
Bezeichnung Wellenlänge Frequenz Photonen-Energie Erzeugung / Anregung Technischer Einsatz
UV-Strahlen 1–380 nm > 789 THz > 5,2 × 10−19 J
> 3,3 eV 		  Desinfektion, Spektroskopie
200–380 nm > 789 THz > 5,2 × 10−19 J
> 3,3 eV 		Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Prüfung von Geldscheinen, Fotolithografie
50–200 nm > 1,5 PHz > 9,9 × 10−19 J
> 6,2 eV 		Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser Fotolithografie
XUV 1–50 nm 6 PHz–300 PHz 2,0 × 10−16–5,0 × 10−18 J

20–1000 eV

XUV-Röhre, Synchrotron EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie

Fluoreszenzanregung

Lichtquellen

Ein Mineral normal und unter UV-Licht

Ultraviolett ist die primäre Emission in Leuchtstofflampen, effizienten weißen Lichtquellen, in denen die Ultraviolett-Emission einer Gasentladung von Quecksilberdampf zur Anregung von im sichtbaren Spektralbereich fluoreszierenden Leuchtstoffen genutzt wird.

Auch andere Gasentladungslampen enthalten manchmal Leuchtstoffe, um die Farbwiedergabe zu verbessern, indem diese mit dem Ultraviolett-Strahlungsanteil der Entladung angeregt werden. Von sog. Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren (u. ä. Bezeichnungen, herstellerabhängig) wird ein dem Sonnenlicht möglichst ähnliches Lichtspektrum inkl. UV und Infrarot abgegeben, um eine natürliche Beleuchtung zu ermöglichen (insb. in Innenräumen, siehe auch Ergonomie); hierbei ist die Menge der UV-Emission gesundheitlich unbedenklich.

Leuchtdioden (LED), die für den Menschen weißes erscheinendes Licht abstrahlende, benutzen eine blau strahlende Leuchtdiode im Inneren, bestehend aus Materialien wie Indiumgalliumnitrid oder Galliumnitrid. Leuchtdioden welche UV-Licht abgeben bestehen aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid und werden auch ohne Leuchtstoffbeschichtung als direkte UV-Lichtquelle eingesetzt. UV-LEDs sind bis zu Wellenlängen knapp unter 250 nm realisierbar.

Biologische Analysen

Einige Farbstoffe, wie z. B. das in den Biowissenschaften verwendete DAPI, werden von UV-Strahlung angeregt und emittieren dann ein längerwelliges, also meist sichtbares Licht. Fluoreszierende Stoffe werden als Marker eingesetzt, um biologische Stoffwechselvorgänge oder Genvariationen zu beobachten.

Forensik: Sichtbarmachen von Blut und Sperma.[9] Das wird z. B. bei der Aufklärung von Kriminalfällen eingesetzt, wenn biologische Spuren (Blut, Sperma, Speichel) an Wänden, in Textilien usw. nachgewiesen werden sollen.

Schwarzlicht

Schwarzlichtleuchtstofflampen

„Schwarzlicht“, auch unter der englischen Bezeichnung „Blacklight“ ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für UV-A-Strahlung, erzeugt durch:

  • Niederdruck-Gasentladungslampen ähnlich Leuchtstofflampen, jedoch mit Leuchtstoffen, die Ultraviolett bei 350 nm oder 370 nm abgeben.
  • Glühlampen mit einem das sichtbare Licht absorbierenden Glaskolben (Nickeloxid-dotiert).
  • Ultraviolett-Leuchtdioden

„Schwarzlicht“ ist vor allem in Diskotheken und für Showeffekte üblich und entfaltet seine Wirkung nur in abgedunkelten Räumen: Die Strahlung regt fluoreszierende Stoffe (z. B. der vielen Waschmitteln beigesetzte optische Aufheller an weißem Baumwollstoff, Fluoreszenzfarbstoffe, manchen Papieren zugesetztes weißes Pigment, Mineralien) zum Leuchten an.

Malerei und Plastik aus fluoreszierenden Materialien des Künstlers Beo Beyond.

Man verwendet es auch für Schwarzlichttheater und in der Mineralogie.

Eine weitere Anwendung ist das Sichtbarmachen von Sicherheitsmerkmalen, u. a. auf Dokumenten (z. B. Ausweispapiere, Fahrscheine) oder Zahlungsmitteln (z. B. Euro-Scheine) sowie „Neon-Stempel“ als „Eintrittskarte“ in ein Konzert.

Schulungen

UV-Strahlung wird in Schulungen zur Visualisierung von mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Substanzen eingesetzt:

  • Applikationskontrolle von Hautschutzmitteln bei der Persönlichen Schutzausrüstung (PSA)
  • Demonstration von Kreuzkontamination (Keimübertragung) innerhalb von Hygiene-Schulungen
  • Visualisierung bei der Händehygieneschulung (Waschkontrolle und Applikation von Handdesinfektionsmittel)

Analysen

Eine Sammlung von Mineralproben leuchtet hell in verschiedenen Farben bei Bestrahlung mit UV-A
  • Optische Spektroskopie: UV/VIS-Spektroskopie
  • Auswertung der Chromatogramme in der Dünnschichtchromatographie
  • Gas-Analyse (NO, NO2, H2S, SO2)
  • Molekularbiologie: Sichtbarmachen von Nukleinsäuren mit Hilfe von Ethidiumbromid
  • Bestimmung der Fettungsdicke: Punkte, bei denen Reibung zwischen zwei Objekten entsteht, sind häufig gefettet. Mit Hilfe von UV-Strahlung lässt sich bestimmen, ob und wie dick eine Fettschicht auf den Objekten ist.
  • Bestimmung der Zinnseite von Floatglas (Photovoltaik, Dünnschicht-Solarzellen)
  • Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)

Materialprüfung

  • Inspektion von Glas(scheiben): Anhand von Fluoreszenz an Störungen kann man Sprünge oder Fehler in Glasoberflächen erkennen.
  • Prüfen von Ölschläuchen: Aufgrund der unterschiedlichen spektralen Kennlinien von Wasser und Öl im UV-Bereich kann Öl von Wasser unterschieden werden. Das kann beispielsweise zum Aufspüren defekter Ölschläuche verwendet werden.
  • Erkennung bzw. Klassifizierung von Beschichtungen (z. B. zur Erkennung von Öl in Wasser)
  • Inspektion von Oberleitungs- und Hochspannungsanlagen: Bei defekten Isolatoren oder angerissenen Kabeln kommt es zu sogenannten Koronaentladungen. Dabei wird an den defekten hochspannungsführenden Komponenten UV-Strahlung emittiert. Diese kann von Spezialkameras erfasst werden.
  • Untersuchung von Hauterkrankungen: Pigmentstörungen der Haut können mit Hilfe von UV-Strahlern („Wood-Lampe“) besser sichtbar gemacht werden. Auch bestimmte Hautkeime (Corynebacterium minutissimum) werden mittels dieser Diagnoseleuchten durch die Auslösung einer rötlichen Fluoreszenz (Porphyrinbildung) sichtbar.
  • Belastbarkeits- und Bewitterungstests: Prüfung der Belastbarkeit von Materialien, die besondere Langlebigkeit erfordern (z.B. Materialien, die in der Automobilindustrie verwendet werden, Solarzellen etc.). Mithilfe moderner Testsysteme ist möglich, die natürliche UV-Einstrahlung so zu verstärken, dass innerhalb von 12 Monaten 63 Jahre natürlicher UV-Einstrahlung simuliert werden.[10]

Aushärtung (Vernetzung) von Polymeren

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  • Druckindustrie: zur Härtung („Trocknung“) spezieller, lösemittelfreier, UV-empfindlicher Druckfarben, vor allem beim Offsetdruck.
  • Lackierereien: zur Aushärtung UV-härtbarer Lacke
  • Zahnheilkunde: lichthärtende Materialien
  • Aushärten strahlenhärtender Klebstoffe
  • Optikindustrie: zur Härtung optischer Erzeugnisse (z. B. Rezept-Brillengläser)
  • Kosmetikindustrie: lichthärtende Kunststoffe für das Modellieren künstlicher Fingernägel

Elektronik

In der Elektronik wird UV-Strahlung vor allem in der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen bzw. Schaltkreisen sowie entsprechenden Geräten eingesetzt. So erfolgt beispielsweise die Herstellung von Leiterbahnen auf Leiterplatten durch eine Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht auf den Leiterplatten mit einer Quecksilberdampflampe. Dabei wird durch die UV-Strahlung einer fotochemische Reaktion im Fotolack ausgelöst. Das gleiche Prinzip wird auch bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Waferbelichtung) angewendet, vgl. Fotolithografie (Halbleitertechnik). Hierbei kamen früher ebenfalls Quecksilberdampflampen – vor allem mit die g-Linie (434 nm) und die i-Linie (365 nm) – zum Einsatz. Später dann KrF- und ArF-Excimerlaser (248 nm bzw. 193 nm). Der Trend immer kürzere Wellenlängen zu nutzen, ist dabei der fortwährenden Skalierung der Transistorstrukturen geschuldet.

Neben dem Einsatz in der Herstellung wird in der Elektronik UV-Strahlung auch für weitere Anwendungen genutzt. Ein Beispiel ist das Löschen von EPROM-Speicher mit einer Quecksilberdampflampe (253,7 nm). Hierbei bewirkt die UV-Strahlung eine Freisetzung von Ladungsträgern im Floating-Gate aus Polysilizium, die freiwerdenden Elektronen haben genug Energie, um die Potentialbarriere des Siliziumdioxid-Dielektrikums zu überwinden und abzufließen.

Biologische Modifikationen

Desinfektion

Eine Niedrigdruck-Quecksilberdampfröhre ist in einer Sterilbank montiert und entkeimt so die bestrahlten Flächen mit kurzwelliger UV-Strahlung.

Ultraviolette Strahlung wird zur Behandlung von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt. Aufgrund der Geschwindigkeit der Reaktion – Mikroben werden bei ausreichender Dosis innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde inaktiviert – können UV-Strahler nicht nur zur Desinfektion von Oberflächen, sondern auch zur Desinfektion von Wasser, Luft oder sogar in Klimakanälen geführten Luftströmen eingesetzt werden. Vor der Entwicklung von Laminar-Flow-Anlagen für Reinräume, sowie dem heute üblichen und massiven Einsatz von Desinfektionsmitteln, waren daher in Krankenhäusern im Dauerbetrieb arbeitende schwache Ultraviolettstrahler üblich um die Keimzahl gering zu halten. Die zunehmende Antibiotika-Resistenz krankenhausspezifischer Keime könnte dabei in naher Zukunft zu einem Revival der altbekannten Technik führen, da sich bei der UV-Desinfektion keine mutationsbedingten Resistenzen entwickeln können.

Eine heute bereits recht verbreitete Methode ist die Trinkwasseraufbereitung mit UV-Strahlung. Dabei wird die Keimzahl im Wasser zuverlässig und in Abhängigkeit zur Dosis stark reduziert. Eine Zugabe von Chemikalien ist grundsätzlich nicht erforderlich. Gerade chlorresistente Krankheitserreger, wie etwa Cryptosporidien, können mit UV-Strahlung inaktiviert werden. Geschmack, Geruch oder der pH-Wert des Mediums werden nicht beeinflusst. Das ist ein wesentlicher Unterschied zur chemischen Behandlung von Trink- oder Prozesswasser.

Im Allgemeinen kommen bei der UV-Desinfektion Niederdruck-Quecksilberdampflampen zum Einsatz (ggf. auch Mitteldruckstrahler), welche Strahlung der Wellenlänge 254 nm emittieren. Kürzere Wellenlängen (kleiner 200 nm) können alle in Wasser befindlichen organischen Stoffe (TOC) zerlegen und werden zur Herstellung hochreinen Wassers benutzt.

Weitere Anwendungen

  • Inaktivierung von Viren bei 254 nm
  • Chemie, Pharmazie: Photochemie, z. B. Synthese von Calciferol (Vitamine D2 und D3)
  • Wellness: Bräunung der Haut Solarium
  • Therapie mit UV-Strahlung (vorrangig UV-A); Tageslicht enthält Strahlung mit wenig UV-B und ohne UV-C. Wirkung: Pigmentation, Vitamin-D-Bildung, Anregung des Zentralnervensystems, je nach Dosierung.
  • Chlorfreie Bleichung von Zellstoff
  • Wasseraufbereitung im Schwimmbad zum Abbau von Chloraminen.
  • An Hühnereiern lässt sich durch das Sichtbarmachen der Rollspuren auf der Schale nachweisen, ob es sich dabei um Eier aus Bodenhaltung oder aus Legebatterien handelt.

Lockmittel

Pflanzen locken durch bestimmte Blütenteile (UV-Male) Insekten an. Einige Tiere, wie z. B. Bienen und Hummeln, können im UV-Bereich sehen. Blüten haben zwischen innen und außen oft eine andere Reflektivität für Ultraviolett. Dadurch finden Bienen auch bei im sichtbaren Bereich einfarbig aussehenden Blüten das Zentrum.

In Lichtfallen für den Insektenfang werden UV-reiche Lichtquellen eingesetzt. Lichtfallen werden zur Schädlingsbekämpfung und zur Zählung/Artbestimmung in der Forschung eingesetzt.

Straßenlampen mit hohem Blau- und Ultraviolettanteil (Quecksilberdampflampen) locken Insekten an und beeinflussen das biologische Gleichgewicht. Undichtigkeiten führen zu erhöhtem Wartungsaufwand. Von umherfliegenden Insekten werden Fledermäuse angelockt und sie können dadurch im Straßenverkehr verunglücken.

Weitere UV-Quellen

  • Das Lichtbogenschweißen ist eine intensive Ultraviolettquelle, Schweißer und umstehende Personen müssen sich schützen.
  • Raumfahrt: Intensives UV-B und UV-C erfordern besondere Materialien, besonders für die Raumanzüge und deren Visiere zum Außeneinsatz. Außerhalb des „UV-Filters“ der Erde befindliche Solarzellen werden geschädigt und haben eine geringere Lebensdauer als auf der Erde.

Siehe auch

  • Extrem ultraviolette Strahlung
  • VUV-Strahlung (Vakuum-Ultraviolett-Strahlung)

Weblinks

Commons: Ultraviolettstrahlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ P. E. Hockberger: A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. In: Photochem. Photobiol. Band 76, 2002, S. 561–579, PMID 12511035.
  2. ↑ Innsbrucker Nachrichten, 15. Februar 1902
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. DIN 5031 Teil 7, Januar 1984.
  4. ↑ ISO 21348 1. Mai 2007. Space environment (natural and artificial) — Process for determining solar irradiances.
  5. ↑ World Health Organization (WHO): Global Solar UV Index: A Practical Guide. 2002 (PDF). Nach dieser Richtlinie richtet sich auch die Norm ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances. 1. Mai 2007 (Entwurf als PDF).
  6. ↑ Johan Moan, Alina Carmen Porojnicu, Arne Dahlback, Richard B Setlow: Addressing the health benefits and risks, involving vitamin D or skin cancer, of increased sun exposure. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 105, Nr. 2, 2008, S. 668–673, doi:10.1073/pnas.0710615105. Zitiert nach Strikte Warnung vor Sonne könnte aufgeweicht werden, UV-Licht erhöht Spiegel an krebsschützendem Vitamin D. In: Ärzte Zeitung. 2. Oktober 2008, S. 3.
  7. ↑ Angela Speth: Lieber Sonne als Krebs. In: Ärzte Zeitung. 2. Oktober 2008, S. 2.
  8. ↑ Powerful Skin Cancer Protection by a CPD-Photolyase Transgene. In: Current Biology, Vol. 15, Issue 2. 2006, S. 105–115 PMID: 15668165.
  9. ↑ Anja Fiedler, Jessica Rehdorf, Florian Hilbers, Lena Johrdan, Carola Stribl, Mark Benecke: Detection of Semen (Human and Boar) and Saliva on Fabrics by a Very High Powered UV-/VIS-Light Source. In: Open Forensic Science Journal 1. 2008, S. 12–15 (PDF – Forensischer Artikel zur Anwendung von UV-Licht zur Erkennung von Sperma).
  10. ↑ 63 Years of UV Exposure in 1 Year
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