輻射的認(rèn)識

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。這個電離過程通常會引致生物組織產(chǎn)生化學(xué)變化，因而對生物構(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。因此一般人對輻射都存有恐懼。其中一個原因可能是大眾對輻射不大了解。因此，為了幫助大眾對輻射有一個完整正確的認(rèn)識，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)合組成一個原子核，就會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)過一個半衰期，放射性物質(zhì)的放射性便會剩下一半，經(jīng)過二個半衰期，放射性便會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 (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繼續(xù)衰變，直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。它們在衰變期間會放出對人體有害的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)出來的氡氣會積聚在室內(nèi)。氡氣在衰變過程中會放出α粒子，當(dāng)我們吸入氡氣時(shí)，我們的肺部便會受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，由于輻射對人體可能有害，人們在輻射的應(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，這些廢料仍含會有高于環(huán)境本底的殘余輻射，因此對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。

1)發(fā)電

隨著世界人口不斷膨脹及經(jīng)濟(jì)增長，人們對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，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，這個計(jì)劃正在多個國家進(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)氖褂茫椛涞暮锰幤鋵?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被植物吸收。同時(shí)，動物又會進(jìn)食植物，所以大部份有機(jī)體都會有一定份量的碳-14。但當(dāng)植物和動物，他們便會停止吸取碳-14。碳-14的份量因衰變會隨時(shí)間而減少，每經(jīng)過一個半衰期(即大約5,730年)，含量便會減半。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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