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1.辐射分类
辐射的种类非常多,从产生原因分,可以分为自然辐射和人工辐射,这个分类方式没啥意义。从能否导致被照射原子电离来说,分为致电离辐射和非电离辐射。致电离辐射,顾名思义,就是说可以导致被照射原子甚至原子核性质发生改变,可以导致化学键的断裂、核外电子重排等,若剂量足够,可以对生物体造成非常严重的损伤;非致电离辐射则不能引起原子电离,一般来说其作用是使分子旋转、颤动等,以热效应最为常见。所以这里有一个比较普遍的规律:同等强度的电磁辐射,频率越高,伤害越大。而从辐射本身的粒子性质分,常见的包括著名的α、β射线、中子辐射、电磁波等。下图可以把常见辐射种类区分清楚:
图1.1-辐射分类
2.α射线、β射线和中子辐射
2
α射线其本质为高能氦核4He2+束流,致电离能力很强,但是穿透力极弱,
弱到正常衣物皮肤即可隔绝,所以只要别把α放射源吃下去,可以说这种射线对人体是完全无害的,但是如果把α放射源吃下去了,基本就可以删号了[*1]。常见α射线源为某些天然放射核素,例如镭、钋、铀等,都是国家级战略物资。百度百科上说到1975年为止,全世界共生产了约4千克镭,据说当年发现镭的居里夫人想要1克镭做实验都要不到,可见想吃这玩意儿吃死是需要很高的地位的。
β射线其本质为高能电子束,穿透力较强,可以穿透数毫米厚的铝板,而且屏蔽比较麻烦(高能β射线照射到金属上可能引起轫致辐射bremsstrahlung,产生次生X射线,次生X射线仍需进一步屏蔽),而且致电离能力也较强,所以对人体危害很大[*2]。所幸这东西自然界不常见,基本也就是一些放射性核素才会产生。人工可以生成β射线但是很麻烦(例如把用来生产X射线的加速管前端的钨靶拆掉),这货也是国家管制的,如果有人能把未经屏蔽的这货拿出实验室基本上会被定性为恐怖分子。
中子辐射:中子辐射确实很恐怖,穿透力极强,对有机体破坏力极大,传说中的中子弹就是这样的效果。中子的屏蔽也比较麻烦,需要非常厚重的富氢材料,例如水(你没看错,就是水,不过是非常大量的水)、混凝土或者石蜡等[*3]。中子辐射的来源,首先还是某些放射性核素...其次有实验室生成的办法,我曾经参与过一个中子项目,是用X射线轰击重水来生成中子,外部用非常厚的若干层石蜡砖屏蔽,这么一套玩意儿占地面积起码数十平米且功耗很大,一开机周围的灯泡都要变暗那种。在寸土寸金的帝都,想用这玩意儿杀人显然不如直接上片儿刀来得实惠。
综上所述:
①α射线,β射线,中子束,公众(非放射工作人员统称公众)这一辈子是见不到的。
②想防止α、β、中子放射,需要远离放射性核素(虽然公众可能一辈子也是见不到)。国家对于放射源的控制是很严格的,但亦不可完全避免丢失的可能性。虽然很罕见,但确实曾经有人捡到了科研部门丢失的放射源然后收起来最后死于放射病的。所以养成路不拾遗的好习惯不仅是道德素质的体现,有时还可以保命。我没有亲眼见过但听一些业内的朋友们说放射源为了便于使用一般都会做成砝码状、链条状等看起来很规则的形状,而且颜色一般都是亮银色,有点像白金...所以如果见到白金项链状的东西最好不要捡...或者捡来让放射工作人员例如我鉴别一下,当然,不管鉴别结果是放射源还是白金项链,都不要指望我会还就是了,哈哈~
③某些石材,尤其是花岗岩,确实可能含有放射性同位素,选购需谨慎。为啥会有家用石材的国家标准?[*4]就是因为不合标准的石材确实存在,而且使用它确实会导致风险。这个例子也可以算是抽了“天然的都是好的”这个论点一个耳光。
④不要得罪放射工作人员例如我,以免被骗到高强度辐射区照死了都不知道咋回事。
关于放射性核素,描述放射性核素的最重要的物理指标是放射性活度,单位是贝克勒尔(Bq),简称贝克,量纲为秒-1。意思就是说一个放射性源每秒钟有多少原子发生了衰变,其活度就是多少贝克。在采用贝克这个国际制主单位之前,
放射性活度还有一个常用单位居里Ci。1Ci=3.7×1010Bq。贝克这个单位很小,居里这个单位很大,所以常用的单位还有兆贝克、毫居等。关于1贝克到底有多厉害这个话题,因为还没讲别的更重要更直观的单位,所以放在下一节来讲,这里先卖个关子。
以上是α、β射线和中子放射的综述,这是开胃菜,接下来是电磁辐射,这才是常人经常会接触的东西。
3.电磁波谱
大家中学物理都学过电磁波谱[*5],首先要了解的两个公式是:c=γλE=hγ
其中,c为光速,γ为频率,λ为波长,h为普朗克常数,E为能量。简言之就是波长和频率成反比,能量和频率成正比。所以描述某种电磁波我们可以从波长上来说例如微波、长波,也可以从频率上来说例如射频、超高频等。
图3.1-电磁波谱
此表格直观表征了电磁波谱各个频段的频率、波长和能量。公众能接受到的辐射主要都是电磁波辐射。例如工频辐射、微波辐射、红外线、紫外线、x射线等。接下来咱们就顺着这个频谱来撸,把每一种辐射的性质都撸清楚了。4.γ射线/X射线
γ射线和X射线是电磁波谱中频率最高,波长最短,能量最高,穿透力最强的波段。中学的时候都学过,能量越高的电磁波穿透力越强,其实是不严格的说法。电磁波与物质的相互作用很复杂,有分子层面的,核外电子层面的,原子核层面的等等,所以某频率的电磁波穿透力是否强,也与被穿透的物质本身性质有
一定的关系。典型的例子是铅玻璃可以阻挡能量更高的X射线却不能阻挡能量更低的可见光。由于X射线和γ射线性质非常像,所以以下统称X射线。
一般而言,X射线有两个最重要的参数,一是能量E,国际制主单位为焦耳(J),但是在微观领域常用电子伏特(eV),以及引申出的keV、MeV等;二是剂量D(若为均匀照射,则剂量率DR亦可),国际制主单位为戈瑞(Gy),以及引申出的cGy、mGy、μGy等。还有一些别的常用剂量单位,例如拉德(rad)和伦琴(R),换算关系为1Gy=100rad≈119R。能量之前已经说过,剂量用更直白的说法来描述就是“辐射的量”,“辐射的多少”。基本上有了这两个量,X射线本身的属性就大致可以确定了。
剂量是射线本身自有的属性,但是相同剂量的不同种类射线对有机体的危害是不同的,相同种类的射线对有机体的不同器官危害也是不同的,有些器官会更敏感,而有些器官会更不敏感,所以我们需要对剂量做加权运算。第一重加权是对辐射种类:
辐射种类能量范围辐射权重因数
ωR
光子所有能量1电子及介子所有能量1中子<10keV5
10keV-100keV10100keV-2MeV202MeV-20MeV10>20MeV5
质子(不包括反冲质子)>2MeV5α粒子、裂变碎片、重核20
表4.1-辐射权重因数[*6]
ωR无量纲,加权方法就是用剂量乘以ωR,加权后的物理量称为当量剂量。单位是西弗,也译作希沃特(Sv),同样有引申单位mSv等不述,因为ωR无量纲,所以其实Sv和Gy的量纲都是J/kg.例如1Gy的X光,当量剂量为1Sv,而1Gy的α射线,当量剂量则为20Sv。可见同剂量的α射线危害比X光高得多。
第二重加权是对人体器官。因为不同的器官对辐射敏感程度不一样,所以即使是完全相同的射线照射在不同器官,也会引起不同的效应:组织或器官组织权重因数ωT组织或器官组织权重因数ωT
性腺0.20肝0.05(红)骨髓0.12食道0.05结肠0.12甲状腺0.05肺0.12皮肤0.01胃0.12骨表面0.01膀胱0.05其他0.05乳腺0.05
表4.2-组织权重因数[*6]
ωT一样无量纲,加权方法就是以当量剂量乘以ωT,加权后的物理量称为有效剂量,单位也是西弗。这就是用来计算射线对器官作用的最终物理量了。上表可见性腺对射线最为敏感,其次是血液和消化系统。所以急性放射病体检最明显的指标之一是白血球数量。