Báo cáo bài tập lớn Vật lí 2: Bức xạ UV - Vật liệu chống tia UV

Tài liệu Báo cáo bài tập lớn Vật lí 2: Bức xạ UV - Vật liệu chống tia UV cung cấp cho bạn các kiến thức về tia UV là gì, ai phát hiện ra tia UV, tác hại của tia UV, con người đã ngăn ngừa các tác hại đó bằng cách tạo ra những vật liệu nào... Mời các bạn cùng tham khảo chi tết nội dung tài liệu.



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÍ 2

ĐỀ TÀI:

BỨC XẠ UV VẬT LIỆU CHỐNG TIA UV

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Nhóm:

Cô Phan Ngọc Khương Cát Lớp: L11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA CƠ KHÍ NGÀNH KĨ THUẬT HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP

Năm học: 2017 - 2018



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÍ 2

ĐỀ TÀI:

BỨC XẠ UV VẬT LIỆU CHỐNG TIA UV

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Nhóm:

Cô Phan Ngọc Khương Cát Lớp: L11

NATIONAL UNIVERSITY HCM CITY HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING

INDUSTRIAL SYSTEM ENGINEERING

DEPARTMENT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA CƠ KHÍ NGÀNH KĨ THUẬT HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP

Năm học: 2017 - 2018

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Phần mở đầu

Mặt Trời hàng ngày cung cấp cho Trái Đất một nguồn năng lượng khổng lồ

Nhờ vào đó, vấn đề năng lượng và môi trường đã được giải quyết phần nào khi con

người dùng năng lượng thay thế sạch từ Mặt Trời thay cho nguồn năng lượng hóa

thạch gây ô nhiễm và hữu hạn Mặt Trời chiếu sáng giúp cỏ cây sinh trưởng, con

người khỏe mạnh hơn Những ánh Mặt Trời đầu tiên chiếu xuống báo hiệu một ngày

mới bắt đầu Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích khổng lồ ấy, đi theo các tia nắng ấm

áp là các tia có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và tâm lí con người, điển hình và nổi bật nhất là tia UV hay tia tử ngoại (chiếm 9% năng lượng ánh sáng Mặt Trời) Dù đã bị

giữ lại bớt bởi tầng Ozon nhưng chúng tá không thể phớt lờ những ảnh hưởng tiêu cực

mà chúng gây ra cho con người Thế tia UV là gì? Ai phát hiện ra? Tác hại thế nào?

Và con người đã ngăn ngừa các tác hại đó bằng cách tạo ra những vật liệu gì? Để trả

lời các câu hỏi đó và cung cấp thêm kiến thức cho bạn đọc, bài báo cáo “Bức xạ UV,

các vật liệu chống bức xạ UV” đã ra đời

Phần nội dung

1 Bức xạ UV

1.1 Phát hiện

Hình 1.1 Chân dung

Johann Wilhelm Ritter

Tia tử ngoại có nghĩa là “phía trên màu tím” (từ

tiếng Latin ultra, “phía trên”), màu tím là màu có tần số cao

nhất trong ánh sáng nhìn thấy Tia tử ngoại có tần số cao

hơn ánh sáng màu tím

Bức xạ UV được tìm thấy vào năm 1801 bởi nhà vật

lý người Đức Johann Wilhelm Ritter quan sát thấy một tia

vô hình phía trên màu tím tận cùng của dãy quang phổ làm

tối giấy tẩm bạc clorua nhanh hơn ánh sáng màu tím Ông

gọi đây là tia ô xi hóa để nhấn mạnh khả năng phản ứng

hóa học để phân biệt với tia nhiệt (hồng ngoại, thứ được

phát hiện năm ngoái nằm phía biên bên kia của dãy quang

phổ) Thuật ngữ đơn giản hơn “Tia hóa học” được ra đời

không lâu sau đó và trở nên phổ biến suốt thế kỷ 19, mặc

dù có những người nghĩ rằng có loại bức xạ khác hoàn toàn ánh sáng (đặc biệt là John William Draper, người đặt tên chúng là “tia tạo ra phản ứng hóa học”) Thuật ngữ tia hóa học và tia nhiệt đã hoàn toàn bị thay thế bởi bức xạ cực tím và bức xạ hồng ngoại Vào năm 1878, hiệu ứng khử trùng của tia bức sóng ngắn bằng cách giếtvi khuẩn đã được khám phá Vào 1903 người ta biết rằng tia khử trùng hiệu quả nhất có bước sóng vào khoảng 250nm Vào

năm 1960, ảnh hưởng của bức xạ cực tím lên DNA

được công bố

Sự khám phá ra tia cực tím có bước sóng thâp hơn 200nm gọi là “Cực tím chân không” bởi vì không khí hấp thụ nó rất mạnh, được tạo ra bởi nhà vật lý người Đức Victor Schumann vào năm 1893

1.2 Khái quát

Tia cực tím hay tia tử ngoại, tia UV (từ tiếng Anh ultraviolet) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X Phổ tia cực tím có thể chia ra thành tử ngoại gần (có bước sóng từ 380 đến 200 nm) và tử ngoại xạ hay tử ngoại chân không (có bước sóng từ 200 đến 10 nm)

Trong kỹ thuật quang thạch bản, hay kỹ thuật laser cực tím, thuật ngữ tia cực tím sâu hay DUV để nói đến bước sóng dưới 300 nm

Tia hồng ngoại 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz

Bảng 1.2 Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng

1.3 Phân loại

Phổ điện từ của tia cực tím có thể được chia theo một số cách Phổ biến hơn cả

là theo tiêu chuẩn ISO-21348 như sau:

Bảng 1.3 Phân loại tử ngoại theo ISO-21348

Khi quan tâm đến ảnh hưởng của tia cực tím lên sức khỏe con người và môi trường, thì phổ của tia cực tím chia ra làm các phần: UVA (380-315 nm), hay gọi là

Tên Ký hiệu Bước sóng

(nanômét)

Năng lượng photon (eV)

sóng dài hay "ánh sáng đen"; UVB (315-280 nm) gọi là bước sóng trung bình; và

UVC (ngắn hơn 280 nm) gọi là sóng ngắn hay có tính tiệt trùng

1.4 Nguồn tia tử ngoại

Nguồn nhân tạo

“Ánh sáng đen” (Blacklights)

Đèn tử ngoại có bước sóng ngắn

Một đèn ánh sáng màu đen phát ra bức xạ

UVA sóng dài và ít ánh sáng khả kiến Bóng đèn

huỳnh quang “blacklight” hoạt động tương tự như

các loại đèn huỳnh quang khác, nhưng có một ít

phốt photrên trên bề mặt bên trong ống phát ra bức

xạ UVA thay vì ánh sáng khả kiến Một số loại

đèn sử dụng bộ lọc quang học bằng thủy tinh màu

tím của nó, hầu như tất cả ánh sáng nhìn thấy được

đều có bước sóng dài hơn 400 nanomet

“Blacklight” được sử dụng trong các ứng dụng mà

trong đó ánh sáng nhìn thấy bên ngoài được giảm

thiểu; chủ yếu để quan sát huỳnh quang, ánh sáng

màu mà nhiều chất phát ra khi tiếp xúc với ánh

sáng tia cực tím

Hình 1.1.2.1

Ống đèn huỳnh quang “blacklight”

Đèn tia cực tím sóng ngắn được chế tạo bằng cách sử dụng một ống đèn không có lớp phủ phosphor bao gồm thạch anh hợp nhất, vì thủy tinh thông thường hấp thụ UVC Những loại đèn này phát ra ánh sáng cực tím ở hai đầu trong dải UVC ở 253,7 nm và 185 nm do thủy ngân trong bóng đèn, cũng như một số ánh sáng khả kiến Từ 85% đến 90% tia cực tím do các loại đèn này tạo ra là 253,7 nm, trong khi chỉ có 5–10% là ở 185 nm

Hình 1.1.2.2

Đèn tử ngoại có bước sóng ngắn

Đèn Halogen

Đèn phóng điện khí

Đèn Halogen với màng bọc thạch

anh nóng chảy được dùng là nguồn sáng

UV ít tiền ở vùng gần tia UV, từ 400 đến

300 nm, trong các dụng cụ khoa học

Hình 1.1.2.3 Đèn Halogen

Đèn phóng điện khí chứa các khí khác nhau sinh ra bức xạ UV ở những đường quang phổ xác đinh cho các mục đích khoa học Đèn hồ quang deuterium được dùng là một nguồn ổn định Chúng thường phát ra các nguồn trong thiết bị quang phổ UV để phân tích hóa học

Những nguồn UV có quang phổ phát

ra liên tục hơn như đèn hồ quang xenon, đèn hồ quang deuterium, mercury-xenon và metal-halide

Đèn excimer được dùng ngày các nhiều trong các lĩnh vực khoa học Lợi thế cúa chúng là mật độ cao, hiệu suất lớn, hoạt động ở dải có bước sóng rộng

Hình 1.1.2.4 Đèn phóng điện khí

Đèn LED UV

Laser cực tím

1.5 Tia tử ngoại của Mặt Trời

Những vật thể có nhiệt độ rất cao phát ra bức xạ UV Mặt Trời phát ra bức xạ

UV ở mọi bước sóng Các vì sao cực nóng phát ra nhiều bức xạ UV hơn Mặt Trời theo một tỉ lệ Ánh sáng Mặt Trời tại đỉnh bầu khí quyển Trái Đất bao gồm 50% ánh sáng hồng ngoại, 40% ánh sáng khả kiến và 10% ánh sáng tử ngoại với tổng mật độ khoảng 1400W/m2 trong chân không

Tuy nhiên, ở mặt đất, lượng ánh sáng còn là 44% ánh sáng khả kiến, 3% tử ngoại

và còn lại là hồng ngoại Do đó, bầu khí quyển chắn bớt 77% tia UV từ Mặt Trời, gần như toàn bộ tia UV có bước sóng ngắn, khi Mặt Trời ở thiên đỉnh Trong các bức xạ tử ngoại đến bề mặt Trái Đất, sóng dài UVA chiếm 90% và phần nhỏ còn lại là UVB Không có sóng UVC Phần nhỏ UVB còn lại trong bức xạ tử ngoại sau khi qua tầng khí quyển phụ thuộc phần lớn vào độ che phủ của mây và điều kiện khí quyền Mây càng dày thì chắn tia UV càng hiệu quả nhưng chỉ trong một vài ngày nhiều mây, tầng mây

Đèn đi-ốt phát quang có thể được chế

tạo phát ra bức xạ trong vùng UV Các dãy

LED này đang dần được dùng để chữa trị và

đã thành công trong ứng dụng in kĩ thuật số

và môi trường

UVC LED bắt đầu đượcc dùng trong

tẩy khuẩn và sắp thay thế đèn deuterium trong

thiết bị Liquid chromeatography

Hình 1.1.2.5

Đèn led UV

Laser khí, laser đi-ốt, laser đặc có thể phát ra tia tử ngoại và laser bao phủ toàn bộ vùng tia UV Laser khí nitơ kích thích phân tử nitơ phát ra chùm sáng chủ yếu trong UV Loại laser khí mạnh khác là laser excimer Chúng được dùng rộng rãi tia tử ngoại và tia tử ngoại chân không

Laser cực tím có ứng dụng trong công nghiệp (khắc laser), dược, hóa, giao tiếp, điện toán và sản xuất mạch tích hợp

Hình 1.1.2.6 Laser cực tím

xanh giữa các đám mây là nguồn phân tán UVA và UVB nhờ phân tán Rayleigh theo cách như sắc xanh của bầu trời được tạo thành UV-B đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của thực vật vì gây ảnh ảnh hưởng hormone thực vật

Dãy sóng ngắn hơn của UVC, bức xạ tử ngoại nhiều năng lượng hơn, được hấp thụ bởi khí oxy và tạo ra ozon trong tầng ozon Tầng ozon là lá chắn UVB và phần còn lại của UVC chưa bị hấp quan trọng của Trái Đất

Hình 1.5 Các bức xạ UVA, UVB, UVC mà Mặt Trời đem đến Trái Đất

 Tia tử ngoại kích thích nhiều phản ứng hóa học; ví dụ phản ứng tổng hợp hiđrô

và clo, phản ứng biến đổi ôxi O2 thành ôzôn O3, phản ứng tổng hợp vitamin D

 Tia tử ngoại làm ion hóa không khí và nhiều chất khí khác Cho một chum tia tử ngoại qua lớp không khí giữa hai bản cực một tụ điện, thì tụ mất điện tích rất nhanh.Chiếu vào kim loại, tia tử ngoại còn gây tác dụng quang điện

 Tia tử ngoại có tác dụng sinh học: hủy diệt tế bào da (do đó, làm cháy nắng), tế bào võng mạc, diệt khuẩn, nấm mốc…

 Tia tử ngoại bị nước, thủy tinh…hấp thụ rất mạnh nhưng lại có thể truyền qua được thạch anh

1.7 Chất hấp thụ tia UV

Các bước tác động của tia cực tím đến nhựa

1 Hấp thu năng lượng sóng (trong đó sóng tia cực tím có mức kích ứng cao nhất)

2 Quá trình hấp thu sẽ tiến đến việc tích lũy nhiệt

3 Ở nhiệt độ cao, quá trình chuyển động phân tử và chuyển động mạch (Brown)

sẽ đạt đến điểm cực đại tại các vùng biên (bề mặt) và hình thành các quá trình gãy các liên kết, hình thành các gốc tự do (free radical)

4 Các gốc tự do (ở điều kiện bị kích tích bởi nhiệt và các rung động) sẽ tham gia vào tiến trình phản ứng dây chuyền, gây ra phân hủy cấu trúc polymer Trong quá trình phản ứng ở bước này chúng còn lôi kéo các phân tử oxy vào và làm gia tăng mức độ hoạt động phân hủy

Theo đó chất kháng tia cực tím được phân thành một số nhóm: Hấp thụ tia UV (UV absorbers), khóa gốc tự do (Free radical scarvengers), quenchers, và

hydroperoxide decomposers

UV Absorbers (Chất hấp thu năng lượng sóng UV)

Đây là nhóm mà phân tử của chúng có tính nhạy

cảm với các bước sóng trong vùng cực tím (UV-A và

UV-B), chúng sẽ hấp thu các năng lượng nhận được từ

sóng của tia UV, và chuyển các năng lượng trên thành

dạng nhiệt vô hại cho polymer Chúng hoạt động nhằm

vô hiệu hóa tác động ở bước 1 trong các bước quá trình

đã nêu ở trên Hình mình họa mô tả: (1) Khi ánh sáng

mặt trời chiếu làm tăng nhiệt vật liệu nhựa (2) Khi sử

dụng chất hấp thụ UV thì giảm hiện tượng tích nhiệt, do

chất UV kịp thời phân tỏa nhiệt

Sử dụng cho nhựa: Sử dụng nhiều cho nhựa PE,

PVC, ABS và cũng dùng được cho hầu hết các nhựa và

Quenchers

Free radical scavengers (Nhóm khóa hoạt tính của các gốc tự do)

1.8 Ảnh hưởng liên quan đến sức khỏe con người

Lợi ích

 Tia cực tím giúp tổng hợp vitamin D trong cơ thể

Là nhóm hoạt chất có tính hấp thu các năng lượng nhiệt, giúp polymer phân tỏa nhiệt hạn chế quá trình tích tụ nhiệt, nhờ đó polymer không bị rung động đến mức tới hạn, nên cũng giãm quá trình mỏi và gãy mạch xảy ra Chúng hoạt động nhằm vô hiệu hóa bước 2 trong các bước quá trình đã nêu trên Hình trên cho thấy một số hợp chất có tính hấp thu sóng năng lượng ở mức cao (đường màu đỏ) và chuyển thành mức năng lượng ở mức thấp (đường màu đen) không ảnh hưởng đến nhựa

Hình 1.7.2 Quenchers

Polymer bị tác động bởi các yếu tố năng

lượng như: cơ học, nhiệt, sóng năng lượng (trong

đó có sóng UV, hồng ngoại,…) và các chất có tính

oxy hóa (oxy, peroxy,…) đều xảy ra quá trình gãy

mạch, và hình thành các gốc tư do không mong

đợi Hình trên cho thấy các hợp chất khóa gốc tự do

(sóng màu trắng) sẽ kịp thời chuyển sang dạng kích

hoạt bao quanh thành phần bị tăng nhiệt, và kịp

thời dập tắt các gốc tự do ngay vừa khi hình thành

Vì thế nhóm phụ gia có tính khóa hoạt tính của các

gốc tự do không chỉ giúp polymer bền vững hơn

khi tiếp xúc với tia cực tím mà còn hữu ích trong

quá trình chống thoái hóa cho polymer ở quá trình

bị lão hóa, bị các tác động cơ học quá mức

Những chất có tính năng trên và hoạt động hiệu quả

trong điều kiện nhiệt độ thấp (như khi polymer tiếp

xúc ánh sáng) sẽ được dùng như chất kháng tia cực

tím

Nhóm chất kháng tia cực tím loại này có

một số phân nhóm rất phổ biến và quan trọng, như:

HALS (Hindered Amines Light Stabilizers),

Hinered Phonols, Thiosynergist,…

Hoạt động của nhóm khóa hoạt tính của gốc

tự do (Free radical scavengers)này nhằm kiềm hãm

và vô hiệu hóa các quá trình xảy ra ở bước (1) và

(2)

Hình 1.7.3

Quá trình khóa hoạt tính các gốc tự do

 ở liều lượng vừa phải tia cực tím còn kích thích mọi quá trình hoạt động chính của cơ thể

 Thúc đẩy quá trình tổng hợp sắc tố melanin dưới da làm cho da rám nắng (Melanin giúp hấp thụ tia UVA và UVB tránh gây tổn hại DNA theo 2 con đường trực tiếp và gián tiếp)

 * Tia UVC: Có bước sóng trong khoảng từ 100 đến 280 nm (nanometer) Đây

là vùng tia UV có năng lượng cao nhất

o Do là vùng bức xạ có năng lượng cao nhất nên tia UVC có khả năng gây tổn hại nhất cho đôi mắt và làn da bạn ( nhưng đã bị tần ozone chặn lại gần như toàn bộ )

Hình 1.8.2

Sắc tố melanin hình thành dưới da

 * Tia UVB: Vùng bức xạ này có bước sóng dài hơn một chút (khoảng 280 đến

315 nm) và năng lượng thấp hơn vùng tia UVC

o Nếu với cường độ cao, tia UVB sẽ gây nên hiện tượng cháy nắng, làm tăng các nguy cơ bị ung thư da

o Tia UVB cũng gây nên các hiện tượng bị bạc màu da, các nếp nhăn và các dấu hiệu khác sớm trước tuổi

o chủ yếu gây nên các bệnh giác mạc như viêm giác mạc, hạt kết giác mạc, mộng

 * Tia UVA: Vùng tia này gần với vùng ánh sáng nhìn thấy, có năng lượng thấp hơn vùng tia UVB và UVC (có bước sóng nằm trong khoảng 315 đến 380 nm)

o Tia UVA có thể xuyên qua giác mạc, đi vào thủy tinh thể hay võng mạc

ở bên trong mắt Nếu phơi dưới bức xạ UVA quá lâu sẽ dẫn đến hiện tượng bị đục nhân mắt hay thoái hóa hoàng điểm

 Trẻ em đặc biệt cần được bảo vệ khỏi tia UV, thậm chí cần thiết hơn so với người trưởng thành Bởi các nguy cơ ảnh hưởng do tia UV từ mặt trời tới mắt

và da được tích lũy dần, có nghĩa là những nguy hiểm sẽ tiếp tục gia tăng trong suốt cuộc đời chúng ta ( phòng tránh bằng cách đeo kính râm và đội mũ )

Một điều quan trọng nữa là bóng râm của các đám mây hầu như không hề làm ảnh hưởng đến mức độ UV: Các nguy cơ phơi nhiễm UV giảm không đáng kể kể cả trong những ngày sương mù hay râm mát Điều này là bởi vì UV là các bức xạ không nhìn thấy, chứ không phải ánh sáng thông thường và chúng có thể xuyên qua các đám mây

Hình 1.8.3

Da người có (bên trái) và không có kem chống nắng

1.9 Ứng dụng

Nhờ vào khả năng gây ra các phản ứng hóa học và kích thích huỳnh quang

trong các chất, bức xạ tia tử ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau tùy

vào dải bước sóng:

13.5 nm Kĩ thuật in Lito dùng tia UV cực mạnh

30 – 200 nm Sự quang ino hóa, phổ học quang electron tử ngoại, mạch tích hợp chuẩn

230 – 365 nm UV-ID, nhãn theo dõi, mã vạch

230 – 400 nm Cảm biến quang học, máy móc đo kiểm

240 – 280 nm Khử khuẩn, khử nhiễm xạ bề mặt và nước

200 – 400 nm Nghiên cứu pháp y, phát hiện chất cấm

270 – 360 nm Phân tích protein, chuỗi AND, phát hiện thuốc cấm

280 – 400 nm Tạo hình tế bào

300 – 320 nm Chữa trị bằng ánh sáng trong y học

300 – 365 nm Xử lí polime và mực in

350 – 370 nm Hộp côn trùng (Bug zapper)

Trong các ứng dụng trên thì tia tử ngoại có các ứng dụng quan trọng sau:

Hình 1.8.4

Ảnh hưởng của tia UV lên ADN