Heim

Ultraviolettstrahlung

Dieser Artikel erläutert die Ultraviolettstrahlung; zu anderen gleichnamigen Bedeutungen von UV siehe UV (Begriffsklärung).

Ultraviolettstrahlung (auch ultraviolettes Licht, abk. UV-Licht, UV-Strahlung, ugs. auch Schwarzlicht oder selten auch Infraviolett-Strahlung abk. IV-Strahlung) ist für Menschen unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kürzer als die des (für Menschen) sichtbaren Lichtes, aber länger als die von Röntgenstrahlung ist.

Die Bezeichnung ultraviolett (etwa „jenseits von Violett“) rührt eben daher, dass das UV-Spektrum mit etwas kürzeren Wellenlängen beginnt als jenen, die Menschen als die Farbe Blauviolett identifizieren. Daher ist der Name „UV-Licht“ irreführend.

Inhaltsverzeichnis

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]

Spektrum

Das ultraviolette Spektrum umfasst Wellenlängen von 1 nm bis 380 nm, die Frequenz der Strahlung reicht also von 789 THz (380 nm) bis 300 PHz (1 nm).

Die Energie eines Ultraviolett-Lichtquants liegt im Bereich von ca. 3,3 eV (380 nm) bis ca. 1000 eV (1 nm).

Unterteilung nach Wellenlänge

Nach DIN 5031, Teil 7 wird Strahlung im ultravioletten Bereicht unterteilt in UV-A, UV-B und UV-C. Es existieren mehrere, sich überlappende und nicht genau definierte Unterteilungsmuster.

Name Abkürzung Wellenlängenbereich in nm Photonenenergie
Nahes UV NUV 400−200 nm 3,10−6,20 eV
UV-A oder Schwarzlicht 380−315 nm 3,26−3,94 eV
UV-B oder Dornostrahlung 315−280 nm 3.94−4.43 eV
UV-C 280−100 nm 4,43−12,40 eV
Fernes UV, Vakuumstrahlung FUV, VUV 200−10 nm 6,20−124 eV
Extremes UV EUV, XUV 31−1 nm 40−1240 eV

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

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 Sauerstoffatome (2 O) gespalten, die jeweils mit einem weiteren Molekül Sauerstoff (O2) zu Ozon (O3) weiterreagieren. Derart kurzwellige Strahlung wird von Luft (Sauerstoffgehalt etwa 21 %) absorbiert und kann sich folglich nur in einem Vakuum ausbreiten. Sie wird daher auch Vakuum-Ultraviolett (VUV) genannt.

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.

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 Atmosphäre (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 irdische natürliche Ultraviolettquellen sind Gewitterblitze und St.-Elms-Feuer.

Künstliche Quellen

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

Weitere Quellen, deren Ultraviolett-Emission jedoch zweitrangig ist, sind Bogenlampen (veraltet), das Lichtbogenschweißen, die Koronabehandlung (siehe auch Ionisator) sowie alle Prozesse, bei denen ionisierte Gase oder sehr hohe Temperaturen auftreten (z. B. Laser-Materialbearbeitung, Ionenquellen, Funkenstrecken usw.)

Bezüglich Lichtbogenhandschweißen, im allgemeinen Funkenstrecken; wobei sämtliche elektrischen Schweissarten (MAG, MIG, WIG mit einzubeziehen sind, entsteht extreme UV-Strahlung, welche bei ungeschützter Anwendung (Verdecken offen liegender Körperteile!) bereits nach wenigen Minuten, oftmals reichen 1–2 Minuten (Haut fühlt sich „trocken“ an, fängt an zu „spannen“), eine Verbrennung der Haut, gemeinhin bekannt als Sonnenbrand (Verbrennung Grad 1), Blasenbildung (Verbrennung Grad 2)

Wechselwirkung

Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen, manche Tiere (Insekten, Vögel) können es 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 Lichtquants 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. Es gibt auch ein Spezialglas, das für längere ultraviolette Wellen durchlässig ist. Quarz ist für den gesamten natürlich vorkommenden UV-Bereich transparent. Normales Glas (Natron-Kalk-Glas) ist für Ultraviolettstrahlung unterhalb 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). Während natürlicher Quarz und auch gewöhnliches Kieselglas durch seinen Titangehalt keine UV-Strahlung unterhalb 200 nm transmittieren lässt, wird synthetisches hochreines Quarzglas verwendet (z. B. für ozongenerierende UV-Lampen (z. B. in der Aufbereitung hochreinen Wassers zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen oder für die ArF-Excimer-Laser-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 Fotoeffekt tritt bei Ultraviolett an allen Metalloberflächen auf; er wird in Photomultipliers u. a. an Szintillationsdetektoren zur Registrierung ultravioletter Strahlungsimpulse genutzt (Neutrinodetektor, Nachweis und Klassifizierung radioaktiver Strahlung).

Chemie

Ultraviolett vermag organische Bindungen zu spalten, aber auch zu schaffen. Es kann die Vernetzung von Momomeren initiieren oder organische Bindungen zerstören. Viele Plastwerkstoffe 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 niederenergetischste 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 Biologische Wirkung
UV-A 320–400 nm Kurzfristige Bräune. Lange Wellen, auch direkte Pigmentierung genannt. Gelangt bis zur Lederhaut. Lässt die Haut durch die Schädigung der Kollagene altern, diese verliert dadurch an Spannkraft. UV-A-Strahlung ist für die kurzfristige, nur Stunden anhaltende Bräune verantwortlich, da sie die Pigmente in den unteren Hautschichten direkt betrifft (Konformationsänderung des Melanins). Hautalterung und Faltenbildung; nur gering erytheme (Sonnenbrand erzeugende) Wirkung, kaum Lichtschutz. Hohes Melanomrisiko durch die Bildung von freien Radikalen.
UV-B 280–320 nm Langfristige Bräunung (s. Hautfarbe). Die kurzen Wellen der UV-B-Strahlung dringen in die Oberhaut ein. Man spricht dabei auch von indirekter Pigmentierung oder verzögerter Bräunung. Melanin entsteht ca. 72 Stunden verzögert direkt in der Oberhaut. Lichtschutz für die Haut; dringt in tiefere Hautschichten vor, hat einen stark erythemen Effekt (siehe auch: Sonnenbrand).

Bildung des anti-rachitischen Cholecalciferol (Vitamin D3) in der Haut. Da Vitamin D3 im eigentlichen Sinne aber ein Hormon ist, welches UV-B bedingt produziert wird, kommt der UV-B Strahlung selbst Vitamincharakter zu. In dieser Rolle ist UV-B nicht nur lebensnotwendig, es wirkt auch vorbeugend gegen Krebs, auch gegen Hautkrebs.

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 niederem 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.

Die 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-Licht, 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 beim Schutz der Augen geboten. Eine Schweißblende beim Arbeiten mit solcher Gerätschaft nicht aufzusetzen ist fahrlässig –  kurzwellige UV-Strahlung kann sehr schnell zur Augenschädigung (bis zur Erblindung) führen.

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.

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 Fotolyase und Licht können diese Dimere wieder gespalten und so die DNA repariert werden. Bei allen Plazentatieren, so auch dem Menschen, wurde die Funktion der Fotolyase im Laufe der Evolution durch das Nukleotid-Exzisions-Reperatursystem (NER) übernommen.[2] Bei Kindern, die an der Krankheit Xeroderma pigmentosum leiden, liegt ein Defekt der Reperaturenzyme des NER vor. Dies hat eine absolute Unverträglichkeit natürlicher Sonnenstrahlung zur Folge („Mondscheinkinder“). Die Patienten entwickeln unter Exposition mit natürlicher UV-Strahlung deutlich schneller maligne Hauttumoren, als Menschen ohne vergleichbare Enzymdefekte.

UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte, benannt. 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. Abhängig von der geographischen Lage, der Höhe, sowie von Jahreszeit und Wetterlage kann er variieren.

Anwendungen

Bezeichnung Wellenlänge Frequenz Photonen-Energie Erzeugung/Anregung Technischer Einsatz
UV-Strahlen 1 nm - 380 nm > 789  THz > 5,2 · 10−19 J
> 3,3 eV
  Desinfektion, Spektroskopie
schwache UV-Strahlen 200 nm - 380 nm > 789  THz > 5,2 · 10−19 J
> 3,3 eV
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Banknotenprüfung, Herstellung elektronischer Leiterplatten (Platinen), Fotolithografie
Starke UV-Strahlen 50 nm - 200 nm > 1,5 PHz > 9,9 · 10−19 J
> 6,2 eV
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser Fotolithografie
Extrem ultraviolette Strahlung (XUV) 1–50 nm 300 PHz - 1 PHz 2,0 · 10−16 - 5,0 · 10−18 J

20–1000 eV

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

Exzitation von Fluoreszenz

in Lichtquellen

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-Strahlunganteil der Entladung angeregt werden. Weiße Leuchtdioden benutzen hierfür jedoch einen blau strahlenden Chip und durch Blau anregbare Leuchtstoffe.

in biologischen 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. Dies wird z. B. bei der Aufklärung von Kriminalfällen eingesetzt, wenn Blutreste an Wänden nachgewiesen werden sollen.

bei Schwarzlicht

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

„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 Pigmet, Mineralien) zum Leuchten an.

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.

in Schulungen

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

Analysen

Inspektion

Aushärtung (Vernetzung) von Polymeren

Elektronik/Fotolithografie

Biologische Modifikationen

Desinfektion

Ultraviolette Strahlung wird zur Behandlung von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt.
Bei der Trinkwasseraufbereitung werden mit UV-Strahlung Krankheitserreger und die Keimzahl im Wasser zuverlässig reduziert. Eine Zugabe von Chemikalien ist nicht erforderlich. Der Vorteil der UV-Desinfektion ist, dass gegen UV-Strahlung keine Resistenzen entwickelt werden können. Dadurch können auch chlorresistente Krankheitserreger, wie Cryptosporidien mit UV-Strahlung inaktiviert werden. Geschmack, Geruch oder pH-Wert beispielsweise von Trinkwasser werden nicht beeinflusst. Dafür werden Mitteldruck- oder Niederdruck-Quecksilberdampflampen eingesetzt, die Strahlung der Wellenlänge 254 nm emittieren. Kürzere Wellenlängen können alle in Wasser befindlichen organischen Stoffe (TOC) zerlegen und werden zur Herstellung hochreinen Wassers benutzt. Aufgrund der Geschwindigkeit der Reaktion – Mikroben werden bei ausreichender Dosis innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde inaktiviert – können UV-Strahler auch zur Desinfektion von Luft oder Luftströmen eingesetzt werden. Dabei ist jedoch das Auskühlen der Strahlenquellen durch den Luftstrom zu beachten.

Weitere Anwendungen

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 können durch den Straßenverkehr verunglücken.

Schäden durch Ultraviolettstrahlung

Einzelnachweise

  1. P. E. Hockberger: A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. In: Photochem. Photobiol. 76. 2002, S. 561−579.
  2. Powerful Skin Cancer Protection by a CPD-Photolyase Transgene. In: Current Biology, Vol. 15, Issue 2. 2006, S. 105-115 PMID: 15668165.

Siehe auch