十面埋“輻”你知多少
作者:環境與生活  2016-06-23 22:36:50
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    由于宇宙射線和地球上天然放射性元素的影響,“!憋L凜凜的“核輻射”在我們日常生活幾乎無處不在,工作,生活和學習無形中都要接觸輻射源,比如來自地外的宇宙射線、家裝材料中的放射性成分、去醫院做X光和CT檢查等。生活中的核輻射到底可不可怕?哪些是人體可以忽略的?哪些又是長期接觸很高危的?該如何防護它們的傷害?
    輻射,是一種能量,以電磁波或粒子形式在真空或者物質媒介中傳播。自然界中,某些原子本身并不穩定,有可能分裂或轉化成其他原子,同時釋放出看不見摸不著的射線在空間傳播,這就是讓人聞之色變的“核輻射”。這些射線能量很高,比原子核同周圍電子的結合力還要大,使一些電子擺脫了原子核的束縛而逃離,這個過程叫做電離。嚴格來說,電離輻射才是核輻射正確的稱呼。

發現天然放射性的第一人——法國物理學家貝克勒爾

 

    輻射單位從“居里”回到“貝克”
 
    1896年3月,“科二代”出身的法國物理學家貝克勒爾發現,把含鈾的鹽和避光包裝的膠片放在一起,膠片曝光了。同年5月,他又發現金屬鈾也有同樣的效果。他由此斷定,鈾可以放出某種能使膠片感光的射線。
在貝克勒爾率先發現放射性的兩年后,居里夫婦發現另外兩種元素——鐳和釙也有這樣的性質,并把物質能夠放出某種射線的特性稱為“放射性”。由于在放射學方面的深入研究和杰出貢獻,貝克勒爾和居里夫婦共同獲得了1903年諾貝爾物理學獎。
    1975年,第十五屆國際計量大會為紀念貝克勒爾,將放射性活度(表示放射性強弱)的國際單位用他的名字命名,簡稱貝克(Bq)。1貝克表示放射性核素每秒有一個原子發生衰變——發出電離輻射。此前,國際上一直用以居里(Ci)命名的單位。

19世紀末,居里夫婦發現了放射性元素鐳,并明確了放射性的定義。

 

    防電離輻射的三大路徑

    人和其他生物都是由原子這個基本單位組成的。如果體內的原子被射線附帶的巨大能量電離,無異于破壞了體內各種生物大分子的結構,特別是一些具有重要生理功能的成員,如細胞膜、復制中的DNA、重要的代謝酶、關鍵蛋白質等等。
    即使在健康狀態下,人體內的各種生理生化反應也難免會出現一些瑕疵和小故障,就連DNA序列這樣重要的密碼結構也有缺失、錯排的情況發生。只是瑕不掩瑜,而且身體有修復機制來應對,所以不會有實質性危害。而電離輻射會引起故障率的增加,使更多細胞壞死或變異。如果輻射劑量帶來的傷害超出了人體的修復能力,就會造成組織器官病變、造血功能缺失、不孕不育、患癌風險增加等后果。由于早年不了解電離輻射的危害和防護,被放射線長期照射的科學家不在少數,居里夫人的逝世正是由于電離輻射 引發的惡性白血病所致。
    同樣原理,電離輻射也可以用來對付病原體(殺菌消毒)和腫瘤細胞(放療),可謂既能致病又能治病。
    電離輻射影響人體的途徑有兩種——外照射(射線從體外照射人體)和內照射(進入人體的放射性核素在體內發出射線照射人體)。減少接觸、敬而遠之(距離越遠輻射越弱,并且衰減速度也越快)和材料屏蔽,是防護電離輻射的三大路徑。由于不同射線的屬性和殺傷力是有區別的,防護對策也各有不同。我們挨個扒出來看看吧。

3種射線的穿透力對比示意圖

 

    α射線:體外無妨 體內猖狂
 
    1898年,有“原子物理學之父”稱號的英國物理學家盧瑟福在研究放射性元素衰變時,發現了一種由氦原子核(下簡稱氦核)組成的高速粒子流,帶正電,將其命名為α射線。地球上質量和體型較大的放射性元素,如鋦、镅、鈾、钚、釷、釙等等,每衰變一次,就“Duang”出一部分α射線。
    α射線的電離本領是幾種電離輻射中最強的,其能量可達5兆電子伏(1兆電子伏=1000千電子伏),而只需10電子伏的能量就能使原子電離,因此對活體細胞和組織的殺傷力極大。好在α射線在傳播過程中損耗很快,在空氣中只能傳播幾厘米,是穿透力最差的電離輻射,一張紙片和人的表層皮膚就能把它輕松攔下。宇宙射線中倒是有一部分“射程”較長的α射線,能夠穿透人體組織甚至薄金屬板,“然并卵”,它在到達地表之前早已被地球的大氣層和磁場消滅殆盡,只有身處太空的宇航員才需要提防它們。
    因此,體外的α射線一般奈何不了我們——只要皮膚沒有傷口,就算直接觸摸也不用擔心 “射傷”。但如果它的放射源隨呼吸、飲食和注射等方式被帶入體內,比如帶有放射性核素的粉塵、食物和飲水,形成“內照射”,殺傷力就大不一樣了。
    對于組織器官密布的體內,α放射源會像個大燈泡一樣“烘烤”著周圍的細胞組織,幾厘米的“射程”不再是短板,再加上α放射源本身還有極強的化學毒性,因此危險性反而是最大的。維基百科英文網資料顯示,內照射時,α射線對活體組織造成的有效劑量,相當于等量γ射線和X射線的20倍。

電離輻射造成DNA損傷示意圖

 

    β射線:能穿皮膚 “鋁”試不爽

    β射線是一種高速電子流,帶負電,與α射線一同被盧瑟福發現。它通常來自非放射性元素的放射性近親(同位素),比如碘-131、氚(氫的兄弟)、鍶-90、鈉-24等,能量一般在幾十萬電子伏左右,明顯小于α射線。β射線的傳播距離比α射線稍長一些,可以穿透皮膚進入體內組織器官,需要幾毫米厚的鋁板或幾厘米厚的塑料板來阻擋。同樣因為帶電,β射線會被磁場干擾而改變傳播方向,或者與空氣中的正電荷“異性相吸”,它在外照射方面的威脅還算容易化解。內照射時雖然也有不俗的威力,但遠不及α射線兇猛。

 

    潔具、瓷磚等家裝建材會釋放少量放射性氣體氡,是室內電離輻射的主要來源。
 
 
    X射線和γ射線:欺小怕大
 
    1895年,德國物理學家倫琴發現了X射線(因此也叫倫琴射線)。1900年,法國化學家和物理學家維拉德在研究鐳元素時,發現了能量比X射線更高的γ射線。這兩種射線骨子里是高頻電磁波,和可見光、紅外線、紫外線、無線電波、微波一同被列入電磁波譜中,不過它倆的能量之高是其他電磁波無法比擬的,所以也稱高能光子。
    X射線的能量介于100電子伏至100千電子伏之間,γ射線的能量范圍則達到幾百千電子伏至10兆電子伏,其中鈷-60和銫-137兩種人造放射源的γ射線能量較為突出,常用于醫療、農業育種和工業測量領域。由于自身靜止質量為零,又不帶電,X射線和γ射線的穿透力遠在β射線之上,紙片、皮膚、木質板材和鋁板已經無法阻止它們了,所以在外照射時,這哥倆的危害是最大的。
    進一步研究發現,X射線和γ射線在物質中的穿透力具有“欺小怕大”的特點:材質的密度和組成該材質的原子個頭越大,越能有效化解它們強大的輻射能量,厘米級以上厚度的混凝土層(核電站反應堆安全殼外層就是混凝土結構)和毫米級以上厚度的金屬鉛,是屏蔽X射線和γ射線的良材。
    人體軟組織幾乎都由較小原子組成,對X射線的阻擋能力微乎其微,而富集鈣的骨骼結構吸收的輻射能量就多一些。X射線透視檢查就是利用物質的密度差,讓我們看到了一副“清秀”的人體骨架和乘客箱包里的秘密。X射線和γ射線穿透力極強,需要用致密和原子體積較大的材質來阻擋,金屬鉛是最具性價比的選擇。

 
    中子射線:擅長玩弄魔法
 
    顧名思義,就是高速運動的中子流。中子是原子核中的組成單元之一,不帶電。在核電站里,它是觸發反應堆核裂變反應的“開關”。比起上面幾位兄弟,中子射線還能把本來沒有放射性的元素變成放射性元素——中子活化。體內原本乖巧無害的鈉元素被“灌下”一個中子之后,就成了具有放射性的鈉-24,帶來二次輻射。要屏蔽它,需要用水、石蠟、硼砂等富含氫元素或硼元素的物質來為它減速。不過幸運的是,中子射線露臉的場合要比其他射線少得多,來自宇宙中的中子射線微乎其微,地球上能自發釋放出中子射線的放射性元素也只占很小一部分,對人體無關痛癢,只有核武器和嚴重核事故等極端情況,才會造成足以引起重視的中子輻射。

 

    1896年1月23日,X射線發現者、德國物理學家倫琴以妻子的手為對象拍下了人類史上第一張X光片,圖中的“異物”是一枚戒指。

 

    人體內竟然自帶輻射
 
    不少化學和生物成分的危險性都遵循“關鍵看劑量”的邏輯,電離輻射同樣如此。計算人體輻射吸收劑量的單位叫希沃特(Sv,也譯作西弗),簡稱“!。這是個很大的單位,短期內只要受到0.4希的電離輻射就會出現皮炎、脫發、白細胞減少等急性中毒癥狀,超過2希就有致命危險,8希以上則回天乏術。為了計量方便,平時常用的單位是毫希、微希(1希=1000毫希;1毫希=1000微希)以及雷姆(rem,1雷姆=10毫希)。
    由于宇宙射線和天然放射性元素幾乎無處不在,縱然沒有人工核設施,我們在生活中也是十面埋“輻”:照一次X射線胸透約為20微希,坐飛機每小時額外受到的宇宙射線輻射為3微希,在磚石或混凝土建筑中住一年約70微希,胸部CT一次則高達5.8毫希,就連人體內的必需微量元素鉀,都有一部分是具有放射性的鉀-40,吃一根香蕉平均也會受到0.1微希來自鉀-40的輻射……
    總賬算下來,聯合國原子輻射影響問題科學委員會統計得出,全球普通人每年受到的有效輻射劑量通常在1~10毫希之間,平均2.4毫希,其中八九成是宇宙射線和天然放射性元素的本底輻射,其余幾乎都來自放射性醫療和診斷設備。以這樣的輻射劑量,健康人的細胞“體質”和修復能力足以平衡電離造成的不良影響,至于致癌風險,得加碼到100毫希/年以上才能辦到。對于不和放射性行業打交道的普通公眾來說,高緯度、高海拔和過分做放射性醫療,是導致輻射劑量較高的幾大因素。

 

    氡幾乎是日常生活中的頭號電離輻射源,圖為美國人均年輻射吸收量及來源組成。

    “老煙槍”輻射量或超百倍
 
    要說生活中真正需要關切的電離輻射,主要是氡造成的室內污染。
    氡是一種無色無味的稀有氣體,易溶于水。氡的化學性質比較慵懶,正常狀態下不會和其他物質發生化學反應。它的厲害之處在于既能放出α射線也能放出γ射線,可以通過吸入和飲水潛入人體,所以內照射和外照射都很擅長。居室內的氡通常源自建筑材料和裝飾材料,如礦渣磚、花崗巖、大理石、瓷磚等等。令人頭疼的是,常規的電離輻射屏蔽措施在居家中要么收效甚微,要么很難操作。除了源頭把控,性價比最高的方式還是通風換氣,讓室內空氣流動起來。
    其實還有一個“毀三觀”的生活輻射源——吸煙。美國環保署指出,煙草還長在地里的時候就含有少量天然放射性核素鐳、氡-222、鉛-210和釙-210。美國國立衛生研究院(NIH)收錄的一篇文獻數據顯示,如果按每天一包半的吸煙量計算,吸煙者一年受到的輻射高達60~160毫希,超出常人幾十倍。
    實際上,電離輻射就像水、電、氣一般,既能造福人類(工業和醫療領域的利用),又能荼毒生靈。只要了解輻射的特性,就能把潛在危害和風險降到最低。
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