看不見的光–紫外線
95/11/02
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林志隆｜
國立自然科學博物館
紫外線和可見光一樣都是「電磁波」中的一部分，一般簡寫成UV（ultraviolet）。肉眼可見的可見光只是電磁波中的一小部分，卻占了太陽輻射能量中的主要部分，而紫外線波段的能量還不到可見光的十分之一。
可見光的波長依照七彩顏色「紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫」由長而短，在紫光之外，波長小於400奈米（1奈米＝10－9米）的就是紫外線了。在紫外線之外還有X射線，以及波長更短、能量更高的伽瑪射線。雖然波長越短的電磁波光子的個別能量越高，光子的數量卻少得多，因此總和的分量就無足輕重了。
而在紅光之外比紅光波長更長的，就是紅外線，在紅外線之外還有微波、無線電波等電磁波。在紅外線這一側的電磁波，因為在生活中應用很廣，所以我們會覺得很熟悉，像加熱食物用的微波爐、收音機的AM與FM頻道、無線電視的UHF與VHF頻道、現在人手一機的行動電話等，都使用到這些電磁波。
紫外線的波長範圍大約是從400奈米到200奈米，其中再分成UV－A、UV－B和UV－C三個部分。紫外線的波段分界在不同組織或學域裡略有不同，物理學上習慣把320～400奈米範圍的稱為UV－A，280～320奈米的稱為UV－B，200～280奈米的部分稱為UV－C。光子的能量和光波頻率成正比（和波長成反比），因此紫外線的波長越短表示能量越高，殺傷力也越大。
在這3種紫外線中，UV－A的能量最弱，殺傷力也最弱。它不會讓細胞立刻死亡，也不太會讓皮膚發紅，而是刺激細胞產生黑色素來阻擋紫外線，所以曬多了只會使皮膚變黑。
以前有一段時間國外上班族流行到健身中心進行「紫外線烤黑」，理由是上班族天天窩在辦公室內，沒有機會外出接觸陽光，只有常常到戶外打高爾夫球或到海灘度假的富商名流，才有機會把皮膚曬黑，皮膚黑就變成了有錢有閒的象徵。於是健身中心就推出像科幻電影中的「冬眠艙」一樣的「紫外線烤箱」，用UV－A燈把皮膚烤成像是到海灘度假回來一樣，讓這些沒錢沒閒去度假的上班族們，也可以滿足一下虛榮心。
但是這種流行並沒有持續太久，因為醫學研究發現照射UV－A雖然不會立即有脫皮、發紅等問題，但是持續照射久了，還是容易引起皺紋、黑斑等老化現象。而且雖然UV－A對皮膚的殺傷力不強，但是對於眼睛卻有很大的危險，因為在眼睛的水晶體中有很多類似生蛋白的透明蛋白質，在強光照射下這些蛋白質容易變質，就好像雞蛋受熱會變白一樣。
一般我們遇到強光時瞳孔會縮小以減少進光量，可是肉眼看不到紫外線，瞳孔不會有反應，而且很多人會忘記戴眼罩，水晶體內的蛋白質長時間受到紫外線的照射，會被破壞成像半熟雞蛋一樣的白濁狀，這就是所謂的「白內障」了。其實比較容易引起水晶體內蛋白質變質造成白內障的是UV－B，可是大家都會注意防範UV－B，反而常常忽略了UV－A所能造成的傷害。UV－A殺傷力雖然弱，而且也能促進人體所需維生素的合成，但是大量照射還是有害健康的。
UV－B的能量比UV－A強，因此殺傷力比較大，照射後很容易使皮膚發紅甚至脫皮。一般防曬乳液所防範的主要就是UV－B，氣象局的紫外線指數預報也是針對這一個波段。以往的防曬乳液主要是為了防止曬傷，所以只添加了隔離UV－B的成分，其防曬效果以SPF（sun protection factor）指數來標示。SPF值20的乳液表示可以減弱UV－B至原先的1／20，也可以說成是抹了之後可以在太陽下曬20倍的時間，才會受到同等的曬傷。
但是近年來大家不只怕曬傷也怕曬黑，所以對於會使皮膚變黑變皺的UV－A也要防範，於是增加了可以隔離UV－A的成分，並以PA值來標示對於UV－A的防護力。
一般家庭每到了換季的時候，就會把棉被衣物拿到太陽下曬過後再收藏起來，目的就是利用陽光中的紫外線殺菌。在A、B及C 三個波段中，殺菌力最強的是UV－C，但是UV－C會被大氣層吸收，不容易到達地表。到達地面最多的UV－A能量則太弱，而到達地面的UV－B雖然數量不如UV－A，但是總和之後，UV－B才是最主要的細菌殺手。
平常陽光中的UV－B會被大氣中的臭氧吸收掉，因此到達地面時威力已經大減。但是近幾十年來，因為大量使用冷氣和冰箱等溫度調節設施，這些家電所用的冷媒漏到大氣中會破壞臭氧，造成了南極上空大片的臭氧層破洞，於是UV－B便可長驅直入抵達地球表面。
雖然因為南極地區人煙稀少，所以還沒有釀成大禍，但是如果繼續使用氟氯碳化物使臭氧層破洞加大，總有一天會擴及人煙密集的地方，那時再要挽救可能就來不及了。因此1985年各國簽訂了維也納公約，致力於減少氟氯碳化物的生產與洩放，希望能阻止臭氧層破洞的擴大。
UV－C的能量高、殺傷力大，一般常見於生物實驗室或餐廳廚房用的紫外線殺菌箱中。殺菌用的UV－C燈管外觀很有趣，因為它不像一般的日光燈管壁是白色的，而是無色透明的。這是因為日光燈管發出的本來就是UV－C，必須在管壁塗一層螢光物質才能把UV－C轉換成可見光，如果管壁不塗螢光塗料，發出來的就是可以殺菌的UV－C了。
這樣說起來，UV－C燈管比一般日光燈管省工又省料，價錢應該比較便宜，可是實際的價錢卻比一般的日光燈管貴了幾十倍。其關鍵並不在技術或材料成本，而是因為UV－C燈管不像日光燈管一樣大量生產，所以才會比較貴。
紫外線殺菌燈通常是用低壓水銀氣體放電方式，產生波長253.7奈米的UV－C來殺菌。而一般家庭、教室或辦公室廣泛使用的日光燈，裡面充填的就是水銀和輔助啟動用的氬、氪等氣體。那我們不是每天都生活在強烈的UV－C照射之下嗎？可是我們並沒有被UV－C殺傷啊？而且UV－C不是應該肉眼看不到嗎？但是我們卻看到日光燈發出白光！
其實就是日光燈管內壁那一層「螢光物質」，加上燈管的玻璃發揮了吸收與阻隔作用。管壁上的螢光物質會吸收水銀蒸氣發出的UV－C，然後轉換成可見光。一般日光燈管通常會塗上負責把UV－C轉換成藍、紅及綠三原色的3種材質以組成白光，只要調整三者的比例就可以產生所需要的顏色（例如感覺比較溫暖的黃色）。
水銀蒸氣發出的UV－C大部分被螢光塗料轉換成可見光，穿過螢光塗料層的殘餘UV－C，還要穿透日光燈管的玻璃管壁才出得來。但是玻璃對可見光和鄰近的UV－A、近紅外線是透明的，對於UV－C就幾乎是完全不透明了。因此這些UV－C會被玻璃燈管吸收，到最後能夠穿透管壁的殘存UV－C已經不足以對人體產生傷害了。
市面上有很多冷氣機或空氣濾清器標榜有所謂的「殺菌光」，所謂的「殺菌光」，就是裡面加裝了UV－C燈管殺菌罷了。冷氣由於不斷抽氣過濾，所以濾網、冷凝管及大型冷氣的水盤常常吸附很多灰塵，如果沒有定期清洗，就容易滋生細菌。
1976年在美國賓州有一場退伍軍人聚會，會後有很多人死於肺部感染疾病，後來查出是因為會場的冷氣久未清理而細菌叢生，因此被稱為「退伍軍人症」。如果在冷氣機的內部裝設UV－C燈管來殺菌，就可以減少排出的細菌。不過，殺菌光只能算是治標，經常清理冷氣機的濾網和水盤才是正途。
本來陽光中也有很多UV－C，但是這些UV－C在空中就被地球大氣吸收了，能夠穿透大氣到達地面的UV－C並不是很多，因此生物才能夠大白天在戶外活動。如果地球沒有大氣層，我們不是出門要背著防紫外線的厚重甲殼，就是得跟吸血鬼一樣變成夜行性動物。
由於紫外線的能量比可見光高，因此能產生「螢光」現象，像日光燈就是其中一種應用。當能量較高的紫外線遇到物質時，可能會被原子或分子中的電子吸收，吸收了光子的電子會跳到比較高的能階。但是高能量能階上的電子並不穩定，隨時會自己「找臺階下」。有些電子不會直接跳回原來的狀態，而是先到其他中間能階串串門子再回來，這時它的能量會分批釋放出來，每階段放出的光子能量都比原來的小，如果其中一段的能量剛好落在可見光範圍內，我們就會看見這個物質發出了神祕的「螢光」。
日光燈就是利用螢光物質把水銀蒸氣發出的253.7奈米的UV－C轉換成可見光，不同的螢光物質轉換成的可見光波長（顏色）並不一樣，因此混合不同螢光物質可以調出所需的顏色。像現在的省電燈泡或日光燈管除了白色之外，也有比較柔和的黃色，就是混合幾種螢光物質調出來的。其實省電燈泡並不是燈泡。一般的燈泡是利用電流通過鎢絲發熱來發光，大部分的電能都用在發熱上，所以很耗電又不太亮。省電燈泡其實是偽裝成燈泡形狀的日光燈，所以比傳統燈泡省電。
螢光物質在生活中到處可見，其中跟我們最貼身相關的就是洗衣粉中的螢光劑。許多洗衣粉的廣告都標榜：「比白還要白。」所謂的「純白」最多就是把入射光百分之百反射，但是入射光就那麼多，最白也就是100％反射而已，那要如何「比白還要白」（反射光比入射光還多）呢？其中的訣竅就在「螢光劑」了！
陽光雖然以可見光為主，但並不是只有可見光而已，它還有紫外線、紅外線，還有很弱的微波、無線電波、X光、γ射線等其他波段的電磁波。在這些看不見的光波之中，紫外線的能量比可見光高一點，如果用螢光劑把紫外線（主要是UV－A波段）吸收之後部分轉換成可見光，就可以讓反射的可見光超過入射的可見光，於是就「比白還要白」了。
因此，只要在洗衣粉或衣服材質中添加一些螢光劑，我們看到的衣服亮度可能是「100％可見光反射 + 10％由紫外線轉換成的可見光＝110％的反射光」，於是衣服就會看起來非常明亮潔白了。
如果衣服洗後非常地潔白，媽媽們可不要太得意，因為那表示洗衣粉或衣料中可能添加了螢光劑。在陽光下，用含有螢光劑的洗衣粉洗過的衣服看起來只是比較白一點而已，可是如果站到會發出UV－A的「黑燈管」前面，你就會發現自己變成一隻人工螢火蟲了。
很多人聽到螢光劑就好像遇到毒蛇猛獸一樣避之唯恐不及，其實螢光劑的輻射發光只是指它經由能階躍遷的方式發光，與核子反應爐那種輻射的危險性與殺傷力相差甚遠。但是螢光劑還是有一些危險性，只是它不是來自輻射，而是來自化學毒性。
螢光劑有輕微的化學毒性，如果殘留在衣服上一般只會接觸到皮膚，除非是特別敏感的膚質，否則並沒有什麼危險性。但是很多小嬰兒喜歡咬衣服，如果衣服上有螢光劑殘留，就可能被小朋友吃進肚子裡。為了保護小朋友的安全，嬰兒用的洗衣粉最好禁止添加螢光劑，而家長們也要避免購買太過潔白鮮豔的嬰幼兒衣物。
紫外線在我們的身邊到處出現，叫我們既愛又怕。它可以幫我們殺掉很多細菌，可是不小心卻會連我們的細胞一起殺掉。它會促進我們的身體合成維生素，但是也會讓我們的皮膚細胞產生黑色素和皺紋。我們不能照射過量，可是又不能沒有它。唯一和它和平相處之道，就是要了解它、掌握它。學習科學在積極方面可以使我們生活更便利，消極方面至少可以教導我們如何趨吉避凶。只要能夠了解並掌握科學，它就會成為我們生活上的好伙伴。
