輻射的認(rèn)識(shí)

在我們生存的宇宙空間里是充滿著各種輻射的，自古以來，地球上的生命便暴露于自然環(huán)境的輻射中。這些輻射各不相同，主要包括熱輻射、不同能量的電磁波(例如光線、無線電波及X射線等)、超聲波，以及由放射性物質(zhì)因衰變放出的粒子(例如α粒子及β粒子等)。根據(jù)這些輻射所含能量的大小，大致可以將這些輻射分為非電離輻射及電離輻射兩類。一般來說，非電離輻射(例如光線及無線電波)的能量較低，不足以改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。相反，電離輻射(例如α粒子及β粒子)有足夠的能量使原子中的電子游離而產(chǎn)生帶電離子。這個(gè)電離過程通常會(huì)引致生物組織產(chǎn)生化學(xué)變化，因而對(duì)生物構(gòu)成傷害。一般所指可引起傷害的輻射，就是電離輻射。

我們生活的周圍存在著各種天然輻射

電離輻射與非電離輻射的區(qū)別

輻射是無聲、無色、無臭、無味，大部份亦無法憑觸覺感覺其存在，只能借助專門的輻射檢測儀器探測和量度它們。因此一般人對(duì)輻射都存有恐懼。其中一個(gè)原因可能是大眾對(duì)輻射不大了解。因此，為了幫助大眾對(duì)輻射有一個(gè)完整、正確的認(rèn)識(shí)，我們特整理了些資料供讀者參考。

l  輻射是什么？

我們知道，世上所有物質(zhì)都是由細(xì)小的原子組成。而輻射主要由原子釋放出來，因此要認(rèn)識(shí)輻射，首先要了組成物質(zhì)的這些原子的結(jié)構(gòu)和特性 :

1)原子的結(jié)構(gòu)

世上所有物質(zhì)都是由細(xì)小的原子組成，而每粒原子有一個(gè)被電子包圍著的原子核。細(xì)小的原子核內(nèi)含不帶電荷的中子及帶正電荷的質(zhì)子，而帶負(fù)電荷的電子則沿軌道環(huán)繞原子核運(yùn)行，情況就好像行星環(huán)繞太陽運(yùn)行一樣。

通常，原子內(nèi)的質(zhì)子和電子的數(shù)目是相同的，所以原子不帶電荷。氫是最細(xì)小的原子，它的原子核內(nèi)只有一顆質(zhì)子。而較大的原子，其原子核內(nèi)質(zhì)子及中子的數(shù)目則更多。例如，碳-12的原子核內(nèi)有6顆質(zhì)子及6顆中子，而鈾-238的原子核內(nèi)便有92顆質(zhì)子及146顆中子。

大部分原子的原子核都是穩(wěn)定的，即是說會(huì)長期保持原來的狀態(tài)。不過，有些原子核，尤其是那些較大的原子核，卻是不穩(wěn)定的。這些不穩(wěn)定的原子核具有放射性，它會(huì)自發(fā)地釋放出粒子或電磁波，從而回復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這個(gè)過程稱為衰變。這些具有放射性的原子核稱為放射性核素，而放出的粒子和電磁波則統(tǒng)稱輻射。

原子的結(jié)構(gòu)

不同的原子帶有不同數(shù)目的中子、質(zhì)子和電子

2)不穩(wěn)定的原子核

原子核的穩(wěn)定度可以用若干參數(shù)來描述，其中一個(gè)參數(shù)是核粒子的結(jié)合能。原子核的總結(jié)合能是指把原子核分開成為獨(dú)立核粒子所需的能量。換句話說，獨(dú)立核粒子結(jié)合組成一個(gè)原子核，就會(huì)釋放出相等于該原子核的總結(jié)合能的能量。如果把原子核內(nèi)每顆核粒子的平均結(jié)合能(又稱比結(jié)合能)與質(zhì)量數(shù) (原子核中的質(zhì)子和中子的總數(shù)) 繪制成圖(右下圖)，便可發(fā)現(xiàn)圖中曲線在質(zhì)量數(shù)大約等于 56 (即鐵原子核) 時(shí)到達(dá)點(diǎn)，即是鐵原子核的總體能量。因此，如以能量作為考慮因素，任何大于鐵的原子核，會(huì)傾向分裂，放出多余的能量。而較小的原子核則傾向互相結(jié)合，組成較大的原子核。

鈾-235是核電站的燃料，其原子核內(nèi)有 92 粒質(zhì)子及 143 粒中子。由于原子核不穩(wěn)定，鈾原子核會(huì)分裂，并在過程中釋放多余的能量。

不穩(wěn)定的原子核

原子核的比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)(質(zhì)子和中子總數(shù))

3)衰變

一顆不穩(wěn)定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定，這個(gè)過程稱為「衰變」。這些粒子或能量 (后者以電磁波方式射出) 統(tǒng)稱輻射。由不穩(wěn)定原子核發(fā)射出來的輻射可以是α粒子、β粒子、γ射線或中子。

放射性核素在衰變過程中，該核素的原子核數(shù)目會(huì)逐漸減少。衰變至只剩下原來數(shù)目一半所需的時(shí)間稱為該核素的半衰期。每種放射性核素都有其特定的半衰期，由幾微秒到幾百萬年不等。

每經(jīng)過一個(gè)半衰期，放射性物質(zhì)的放射性便會(huì)剩下一半，經(jīng)過二個(gè)半衰期，放射性便會(huì)剩下原先的四分之一，余此類推。

鈾的衰變示意圖

l  輻射從何而來？

一般來說，輻射按其來源可以分為兩大類：天然輻射和人工輻射。

1)天然輻射

我們接觸到的天然輻射包括來自外層空間的宇宙射線及存在于食物、空氣及居住環(huán)境的天然放射性物質(zhì)等。

文章天頭說到，在我們的生活的周圍，輻射其實(shí)是無處不在，甚至連我們自己的身體都具有放射性。其實(shí)我們每日都會(huì)接觸到各種各樣的輻射，特別是天然輻射。在本港，平均每人每年吸收的天然本底輻射劑量大約為2毫希沃特。在世界各地，每人吸收的天然本底輻射劑量一般都是由每年1毫希沃特到10毫希沃特不等(數(shù)據(jù)源 ﹕原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì) (UNSCEAR) 第2000年報(bào)告)。

地球在誕生時(shí)，便存在著天然放射性核素，如鈾-235、鈾-238、釷-232及镎-237等。它們因衰變而產(chǎn)生的子體核素亦屬不穩(wěn)定及具有放射性。這些子體放射性核素會(huì)繼續(xù)衰變，直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。它們?cè)谒プ兤陂g會(huì)放出對(duì)人體有害的α粒子、β粒子或γ射線。鈾-235、鈾-238、釷-232及镎-237的半衰期分別為7億年、45億年、140億年及2.3百萬年。由于镎-237及其子體核素的半衰期遠(yuǎn)低于地球的年齡，它們現(xiàn)已不存在于地球上。相反，鈾-235、鈾-238及釷-232衰變系列的放射性核素仍然存在于我們的生活環(huán)境中。地殼土壤及建筑材料內(nèi)，都含有這些天然的放射性核素，因此我們吸收到的天然輻射劑量與所在地區(qū)的土質(zhì)成份有關(guān)，亦與我們居所的建筑物料有關(guān)。

氡氣(特別是氡-222)是一個(gè)主要的天然輻射源。氡-222主要由泥土及巖石中的鈾-238衰變產(chǎn)生，并從地面散發(fā)至大氣中。如室內(nèi)空氣不流通，散發(fā)出來的氡氣會(huì)積聚在室內(nèi)。氡氣在衰變過程中會(huì)放出α粒子，當(dāng)我們吸入氡氣時(shí)，我們的肺部便會(huì)受α粒子影響。為保持健康，我們應(yīng)該保持室內(nèi)空氣流通，以免氡氣積聚。

另一個(gè)天然輻射來源是來自外層空間的宇宙射線。由于大氣層有阻擋宇宙射線的作用，離地面越高，宇宙射線的強(qiáng)度就越強(qiáng)。宇宙射線的主要成份是高能量的質(zhì)子，其次是氦原子核及少量原子序數(shù)3或以上的重粒子和離子。宇宙射線進(jìn)入地球大氣層后，會(huì)與大氣高層的氮、氧等原子核發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氚、碳-14等放射性核素及中子、質(zhì)子、電子、μ介子、π介子等次級(jí)粒子。當(dāng)中，碳-14經(jīng)常被用來鑒定古物所屬的年代。

我們的體內(nèi)亦含有放射性核素。例如鉀-40、鈾、釷、鐳、碳-14、氚、釙等。我們?nèi)粘３缘氖澄镆埠猩倭糠派湫晕镔|(zhì)，食物被消化后會(huì)被身體吸收，成為身體的一部份。與此同時(shí)這些放射性物質(zhì)亦會(huì)衰變減少或被排出體外。當(dāng)我們食入和排出的放射性物質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，我們體內(nèi)便維持著一個(gè)穩(wěn)定的輻射水平。

2)人工輻射

我們接觸到的人工輻射以用于醫(yī)療診斷的X射線所占比例最多。其余的來源有大氣層核試產(chǎn)生的放射性塵埃、夜光表、電離室、煙霧探測器等。

人工輻射在醫(yī)學(xué)上和工業(yè)上都有廣泛用途，由于輻射對(duì)人體可能有害，人們?cè)谳椛涞膽?yīng)用上作了很多研究，盡量在應(yīng)用過程中保護(hù)使用者的安全。所以人們吸收的人工輻射，遠(yuǎn)比天然輻射小。而當(dāng)中以醫(yī)療診斷和治療時(shí)所引致的劑量占絕大部份。

在醫(yī)療診斷的輻射造影過程中，病人需要接觸輻射。譬如在進(jìn)行X光檢查時(shí)，我們需要暴露在X射線下。在進(jìn)行某些器官的造影時(shí)，可能需要將放射性物質(zhì)注入或進(jìn)食入身體內(nèi)。則更加需要足夠的輻射去殺死癌腫瘤。

醫(yī)療輻射在所有人工輻射中占的比例

核能發(fā)電亦是人工輻射來源之一。核電站在運(yùn)作過程中排放出帶有微量放射性的廢氣和廢水，而核廢料在運(yùn)送或處理過程中亦放出微量放射性物質(zhì)，這些都是人工輻射的來源。

另外，在一九四五年至一九八零年期間，世界各地進(jìn)行了多次大氣核試爆，所產(chǎn)生的放射性塵埃隨風(fēng)擴(kuò)散，部份沉降到地上。這些放射性沉積物為我們自然環(huán)境增加了額外的人工輻射

其他人工輻射來源包括電視機(jī)及視象顯示器等，它們的真空管會(huì)發(fā)放X射線。夜光手表和煙火傳感器等消費(fèi)品中亦含有放射性物質(zhì)。

所有以上這些應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療及教育的放射性物質(zhì)在經(jīng)過長時(shí)間使用后，都會(huì)失去原有的功能，變成核廢料，雖然這些廢料的輻射強(qiáng)度已經(jīng)下降了很多，但是相比普通物體，這些廢料仍含會(huì)有高于環(huán)境本底的殘余輻射，因此對(duì)于這些人工輻射核廢料依然要保持足夠的關(guān)注。

l  輻射有什么用途？

輻射與我們息息相關(guān)，很多時(shí)我們不知不覺間已經(jīng)享用到輻射應(yīng)用所帶來的好處。無論在發(fā)電、醫(yī)療、工業(yè)方面，輻射的應(yīng)用都多不勝數(shù)。只要運(yùn)用得宜，輻射也可以造福社會(huì)。

1)發(fā)電

隨著世界人口不斷膨脹及經(jīng)濟(jì)增長，人們對(duì)能源的需求日益增加。我們消耗能源的速度，遠(yuǎn)超過地球所能負(fù)擔(dān)，核能是解決能源需求日增的其中一個(gè)方法。目前世界各地的核能發(fā)電反應(yīng)堆有大約四百四十個(gè)，供應(yīng)所需電力的約百分之十七。這些發(fā)電廠主要利用鈾或钚的原子核分裂而發(fā)電。

中國目前已投入使用的核電站分布圖

2)工業(yè)及農(nóng)業(yè)上的用途

在工業(yè)方面，γ射線穿透力特強(qiáng)，可用作探測焊接點(diǎn)和金屬鑄件的裂縫。另外，在工業(yè)生產(chǎn)在線的自動(dòng)質(zhì)量控制系統(tǒng)，例如測檢罐裝飲品內(nèi)的飲料高度或香煙的煙草密度等，都廣泛應(yīng)用了輻射。輻射更可用于量度電鍍薄膜的厚度，也可用于消除靜電。

建筑工人借助X射線探傷儀對(duì)管道窒進(jìn)行探測

在農(nóng)業(yè)方面，放射性同位素經(jīng)常被用作追蹤劑。將放射性物質(zhì)加入肥料中，然后量度農(nóng)作物的放射性，便可以知道有多少肥料被吸收，及有多少流失。輻射亦可供滅蟲之用。Sterile Insect Technique (SIT) 可以令昆蟲失去繁殖能力，從以減少牠們的數(shù)目。墨西哥運(yùn)用了這種方法，成功地把害蟲的數(shù)目大大減少。在食物及農(nóng)業(yè)組織 (FAO) 及國際原子能機(jī)構(gòu) (IAEA) 的協(xié)助下，這個(gè)計(jì)劃正在多個(gè)國家進(jìn)行。

3)消費(fèi)品用途

有些用品，如煙火傳感器、熒光指示牌和避雷針等都包含放射性物質(zhì)。通過合適的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)氖褂?，輻射的好處其?shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其所引起的危害。

4)考古用途

透過量度古物內(nèi)天然放射性物質(zhì)的濃度，我們可以鑒定古物所屬的年代，常用的技術(shù)包括「碳-14定年法」和「熱釋光定年法」，對(duì)地質(zhì)學(xué)、人類學(xué)及考古學(xué)的研究都有莫大的幫助。

碳-14是因宇宙射線撞擊地球大氣層而產(chǎn)生的，碳-14氧化成二氧化碳后會(huì)被植物吸收。同時(shí)，動(dòng)物又會(huì)進(jìn)食植物，所以大部份有機(jī)體都會(huì)有一定份量的碳-14。但當(dāng)植物和動(dòng)物，他們便會(huì)停止吸取碳-14。碳-14的份量因衰變會(huì)隨時(shí)間而減少，每經(jīng)過一個(gè)半衰期(即大約5,730年)，含量便會(huì)減半。透過量度古代有機(jī)體的碳-14含量，我們便可以估計(jì)該有機(jī)體的死亡年份。

碳-14同位素定年法的原理

泥土中含有微量的鈾、釷和鉀等天然放射性物質(zhì)，這些放射性同位素的半衰期可以長達(dá)10億年。同時(shí)，粘土中又含有各種無機(jī)晶體和礦物質(zhì)。當(dāng)無機(jī)晶體受到上述放射性物質(zhì)照射后，一部份輻射能量會(huì)令晶體發(fā)熱，另一部分能量則貯藏在晶體中。如果晶體被加熱，部份能量會(huì)以可見光的形式釋放出來，這種現(xiàn)象叫做熱釋光現(xiàn)象。熱釋光定年法可判斷古物距離最近的一次加熱的時(shí)間，古物發(fā)出的熱釋光越強(qiáng)，年代就越遠(yuǎn)，反之，則屬較近期。熱釋光定年法常被用作判斷陶器的年代。

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