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看不見的光–紫外線

 
 
 
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。
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