Radiațiile UV, optică. Noțiuni introductive.

0
367
blank

Radiațiile ultraviolete (UV) și radiațiile vizibile reprezintă doar o mica parte a spectrului electromagnetic, care include și alte forme de radiații precum radiațiile radio, infraroșii (IR), cosmice și X. Radiațiile electromagnetice pot fi considerate ca o combinație de câmpuri electrice și magnetice care traversează spațiu sub forma de unde.

Deoarece radiațiile se comporta ca undele, ele pot fi clasificate cu ajutorul lungimilor de unde și respectiv frecventei, la baza cărora sta următoarea formulă :

V = c / X

unde v este frecvența (în secunde), c este viteza luminii (3 x 10 8 ms -1), iar X este lungime de undă (în metri). În spectroscopia UV- vizibila, lungimea de undă este exprimată în nanometri (1 nm = 10 -9 m).

Din ecuația de mai sus rezultă că radiația cu o lungime de undă mai mică are o energie mai mare. În spectroscopia vizibilă UV, lumina UV cu lungime de undă joasă are cea mai mare energie. În unele cazuri, această energie este suficientă pentru a provoca reacții fotochimice nedorite atunci când se măsoară probele la spectrofotometru (la urma urmei ea reprezintă acea componenta UV a luminii care cauzează arsurile solare).[1]

Atunci când radiațiile interacționează cu materia, pot apărea o serie de procese precum : reflexia, împrăștierea, absorbanța, fluorescența / fosforescența și reacția fotochimică. În general, atunci când măsuram spectrele UV vizibile, vrem să aibă loc numai procesul de absorbție.

Deoarece lumina este o formă de energie, absorbția de lumină prin materie determină creșterea conținutului energetic al moleculelor (sau al atomilor). Energia potențială totala a unei molecule este reprezentată da suma energiilor sale electronice, vibraționale și de rotație.

În unele molecule și atomi, fotonii radiațiilor UV dar și cei ai luminii vizibile au suficientă energie pentru a provoca tranziții între diferitele niveluri de energie electronică. Lungimea de undă a luminii absorbite este cea care are energia necesară pentru a muta un electron de la un nivel de energie mai mic la un nivel de energie mai ridicat.

Surse de lumină UV

Sursa de lumină ideală este caracterizata printr-o intensitate constantă peste toate lungimile de undă, zgomot redus și stabilitate pe termen lung. Din păcate însă, o astfel de sursă nu există. Două surse sunt frecvent utilizate în spectrofotometria UV.

Prima sursa este reprezentata de lampa cu arc de deuteriu. Aceasta oferă o intensitate continua buna în regiunea UV și oferă în acelasi timp și o intensitatea utila pentru regiunile vizibile.  Deși ele sunt considerate ca având un zgomot redus, în comparație cu alte surse, aceasta reprezinta o limitare a utilizării sale. În timp, intesitatea luminii unei lămpi cu arc de deuteriu scade constant urmând ca după aproximativ 1000 de ore de utilizare sa devina practic ineficiente.

A doua sursă este lampa cu halogen cu tungsten care pe de-o parte are o intensitatea buna în regiunea UV dar și pe întreaga regiune vizibila. Mai mult decât atâta, are zgomot redus și o durata de viața de aproximativ 10.000 de ore, ceea ce o face superioara lămpii cu arc de deuteriu.

Majoritatea spectrofotometrelor utilizate pentru a măsura gama UV vizibila conțin ambele tipuri de lămpi. În astfel de instrumente, fie un selector de surse este utilizat pentru a comuta lămpile în funcție de necesitate, fie lumina din cele două surse este amestecată pentru a obține o singură sursă.

O sursă alternativă de lumină este lampa cu xenon. Spre deosebire de lampa cu tungsten și respectiv lampa cu deuterium, zgomotul provocat este mai puternic, ceea ce duce la limitarea utilizării sale strict pentru măsurători de reflexie difuza în cazul cărora este necesara utilizarea unei intesități mai ridicate.

Optică

Lentilele sau oglinzile concave sunt folosite pentru transmiterea și focalizarea luminii prin instrument. Lentilele simple deși sunt relativ ieftine au dezavantajul de a provoca aberații cromatice. Acest lucru poate fi explicat prin faptul ca luminile care au diferite lungimi de unda nu vor fi focalizate în exact același punct.[2] Cu toate acestea, acest lucru nu limitează utilizarea lor, deoarece prin intermediul unui design amănunțit și cu ajutorul procesului de anulare reciproca se poate obține un sistem optic care sa fie și eficient și ieftin.

Lentilele acromatice combina mai multe lentile de sticla diferite care au indicatori de refracție diferita și care realizează împreuna ceea ce numim lentila compusa. Aceste lentile compuse au avantajul de a fi lipsite de aberațiile cromatice caracteristice lentilelor simple. Tocmai de aceea, ele sunt utilizate în camerele fotografice. Ele oferă o performanță bună, dar la un cost relativ ridicat.[3]

Oglinzile conice sunt mai puțin costisitoare decât lentilele acromatice și sunt complet lipsite de aberații cromatice. Cu toate acestea, suprafața de aluminiu este ușor corodată, ducând la o pierdere a eficienței.

La nivelul suprafeței optice, inclusiv în zonele de delimitare dintre componentele lentilelor acromatice, 5-10% din lumina se va pierde datorită absorbției sau reflexie. Acest lucru trebuie luat în calcul în momentul în care se dorește conceperea unui spectrofotometru ideal, care trebuie sa fie format dintr-un număr cat mai mic de suprafețe optice astfel încât pierderile de lumina sa fie neglijabile.

Surse de lumină UV

Lămpi cu vapori de mercur: Emisia de lumină ultravioletă produsă la trecerea unui curent electric prin vapori de mercur a fost observată încă din 1835, iar în  1910 lămpile ultraviolete cu vapori de mercur au fost utilizate pe scară largă pentru dezinfecția apei. Aceste lămpi rămân populare pentru producerea radiațiilor ultraviolete, în special la lungimi de undă scurte.

Lămpile cu vapori de mercur folosesc un curent electric care trece prin mercur vaporizat pentru a putea produce o lumina caracterizata prin radiații ultraviolete puternice. Un spectru pentru o lampă tip arc de mercur este prezentat în figura 43, aceasta este dominat de linii discrete prin intervalul vizibil și în apropierea ultravioletului, care se extinde în ultravioletele profunde, până la lungimi de undă de 184 nm.

Lămpile cu arc de mercur conțin mercur plus o cantitate mică de gaz de pornire, cum ar fi argonul sau xenonul.  Un debit inițial de înaltă tensiune este folosit pentru a ioniza gazul de pornire și pentru a porni arcul. Pe măsură ce lampa se încălzește, mercurul este vaporizat și, după ce funcționează timp de cinci până la zece minute, spectrul de ieșire este dominat de liniile caracteristice spectrului de emisie al mercurului prezentat în figura 1.4.

Presiunea gazului la care trece curentul prin lampa determină intensitatea relativă a acestor linii.. În lămpile de vapori de mercur cu presiune scăzută (aproximativ 0,001 atm), sunt prezente numai liniile de 184 nm și 253 nm. Aceste lămpi ultraviolete denumite „germicide” sunt utilizate în mod obișnuit pentru dezinfecția apei, a aerului și a suprafețelor.

Nu numai că aceste lămpi sunt inutile pentru fotografiile UV, dar chiar și lămpile UV de scurtă durată generează suficiente radiații care pot induce riscuri tangibile pentru sănătate. Printre acestea enumeram eritemul din cadrul arsurilor solare și respectiv fotokeratita, afecțiune a ochiului cauzata de aceste raze. În lămpile cu vapori de mercur cu presiune medie, sunt prezente toate liniile principale, permițând astfel ca aceste lămpi să fie proiectate pentru a optimiza emisiile UV.

La o presiune ridicată (aproximativ 1 atmosferă după încălzire), arcurile de mercur emit în special radiații albastre și verzi ceea ce le face utilizabile drept lampi comune pentru iluminatul general. La o presiune mai înaltă (5 până la 50 atmosfere), arcul de mercur produce încă o dată linia ultra-UV de 365,4 nm cu intensitate foarte mare. Aceste lămpi sunt utile pentru iluminarea continuă a elementelor fotografiate în apropierea suprafețelor ultraviolete. În realitate, numai linia de 365,4 nm este utilă pentru acest fel de fotografiere ultravioletă reflectată. Pe de altă parte, tuburile fluorescente cu „lumină neagră” încorporează o acoperire cu fosfor care convertește liniile scurte la lumină apropiata de spectru UV.

Caracteristicile fotografiei ultravioletă rezultă de fapt din diferențele în modul în care lungimile de undă scurte ale ultravioletelor interacționează cu materia în comparație cu lungimile de undă mai lungi ale luminii vizibile sau infraroșii. Lumina ultravioletă se cuplează foarte puternic cu electronii de pe suprafața exterioara a atomilor, astfel încât absorbția, împrăștierea și reflexia luminii ultraviolete se întâmplă chiar la suprafața multor materiale.

Tocmai lipsa de penetrare a ultravioletelor în siliciu, este motivul pentru care camera digitala nu este sensibila la aceste lungimi de unda. Acesta lipsa de penetrare face ca ultravioletele sa fie ideala pentru imaginile ce conțin suprafețe topologice care nu sunt vizibile la lungimi de unda mai mare, în special acele suprafețe transparente sau translucide.

În același timp lumina ultravioleta este capabila sa extindă acel spectru pe care ochiul uman este capabil sa il vadă. Astfel, datorită proceselor de absorbție și respectiv de reflexie suntem capabili sa percepem anumite lungimi de unda care normal cu ochiul liber nu sunt sesizabile. În general, ultravioletul este puternic absorbit de majoritatea materialelor organice, dar este reflectat în mod obișnuit de materiale anorganice precum piatra și metalul, oferind un contrast mult mai mare între aceste două tipuri de materiale decât atunci când sunt fotografiate cu lumina vizibila.

Multe domenii precum stiinta, industria, medicina și criminalistica au  profitat de interacțiunea unică a luminii ultraviolete cu materia. Caracteristicile distinctive ale luminii ultraviolete prezintă, de asemenea, oportunități unice pentru fotografi, făcând posibilă crearea unor fotografii de peisaj unice, de natură și de portrete care sunt departe de normă.

Luminile ultraviolete (UV) reprezintă partea aceea a spectrului electromagnetic cu lungimi de undă care sunt mai scurte decât cele ale luminii vizibile. Când majoritatea oamenilor vorbesc despre ultraviolete, ei se referă de obicei la tipurile de UVA și UVB de lumină UV care se află în intervalul de la 0,3 la 0,4 microni (300 până la 400 nm). Ca orice altă lumină vizibilă și aproape vizibilă, echipamentul fotografic de astăzi se poate folosi de aceasta lumina în cadrul fotografiei.

Fotografiile ultraviolete pot fi realizate cu filme fotografie alb-negru sau colorate, precum și cu camere digitale. De fapt, aproape orice cameră poate fi folosită pentru fotografiere UV. Singurul echipament special de care aveți nevoie este filtrul UV pentru obiectivul aparatului foto și o sursă de lumină UV. Acestea fiind spuse, există aparate foto multi-spectrale de ultimă generație, cum ar fi sistemul Art Innovation ARTIST care poate realiza fotografii UV fiind utilizate în special în instituții medico-legale și respectiv în laboratoare.

Există două tipuri de fotografie care pot fi realizate cu iluminare UV în scopuri criminalistice. Primul tip este reflectograful UV (UVR). UVR-ul are ca scop iluminarea subiectului de lucru cu lumina UV urmata apoi de fotografierea acestuia cu o camera fotografica utilizând un filtru cu lentile UV. Deoarece diferite materiale vor avea nivele diferite de opacitate sub UV în comparație cu lumina vizibilă sau infraroșie, UVR poate furniza informații cu privire la compoziția materială a pigmenților. UVR este, de asemenea, o alegere bună pentru analiza rugozității și detaliilor suprafeței.

Pentru picturi, o tehnică mult mai utilă este cel de-al doilea tip de fotografie UV; Fluorescență UV (UVF). Fluorescența apare atunci când un material este sensibil la lumina UV. Materialul absoarbe o parte din lumina UV, dar absoarbe doar o parte din energia fiecărui foton. Fotonii rezultați care sunt emanați acum de pictura se afla în spectru vizibil. Fluorescența, spre deosebire de luminiscență, există numai în timpul stimulării cu o sursa UV.

Aplicabilitatea radiațiilor UV în criminalistica se bazează pe faptul ca nu toate materialele sunt capabile de fluorescenta. De exemplu, în lucrări de artă și picturi, sa constatat că lacurile mai vechi sunt mai fluorescente, în timp ce cele mai noi mai puțin. Același lucru se aplica și în cazul vopselelor și pigmenților vechi în comparație cu cele mai noi.

Cu UVF este foarte ușor sa vedem unde s-au făcut retușuri la o pictura veche; zonele retușate vor apărea ca pete negre într-o fotografie UV a operei de artă.

 

Referințe:

[1] Newhall, Beaumont, History of Photography, The Museum of Modern Art, New York, 1994.
[2] Bistriţeanu, Dan, Filtre fotografice, Editura Tehnică, Bucureşti, 1989.
[3] Pogany, Iuliu, Fotografia de la teorie la practică, Editura Ştiinţifică și Enciclopedică, Bucureşti, 1987.

LĂSAȚI UN MESAJ

Vă rugăm să introduceți comentariul dvs.!
Introduceți aici numele dvs.