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「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?

知乎精选 2020-10-09 17:53:23

电离辐射,顾名思义是能够导致电离的辐射。详细一点是一种物质,作用在原子上能够至少电离出一个电子的物质。

这种物质可以是带电粒子,比如离子,电子;也可以是电磁波,比如 X 射线,伽马射线;还可以是不带电的粒子,比如中子。

电离辐射可以是天然的。比如,宇宙射线。宇宙射线中含有大量的中子,一些阿尔法粒子(氦原子核),以及少量贝塔粒子(电子或正电子),当然还有高能的 X 射线,伽马射线。天然的也可以来自天然放射源。比如一些元素的同位素具有比较多的中子而不稳定,能够发生诸如阿尔法衰变、贝塔衰变等;电离辐射自然也可以是人造的。比如核电站、粒子加速器、医用 X 射线源等等。

电离辐射的危害主要是指对人体的危害。危害原理可以这样简单的理解:电离辐射导致人体细胞内的原子失去电子。大量原子失去电子的情况下,这些原子组成的分子、组织结构将不能正常工作。比如 DNA 结构被破坏,正常的细胞分裂增殖过程被阻断,导致异常的增殖形成肿瘤,从而引发癌症。

当然,这只是危害的物理原理。相比于枪支等,电离辐射的后果并不是很严重。可是人们谈辐射色变的一个重要原因是:电离辐射一般不可见,人体不能感知。很多情况下你不知不觉的就被辐射了。比如核电站事故,比如宇宙射线导致的背景辐射,又比如捡了个放射源当成宝贝放在口袋里。

另外,这些电离辐射源一般都具有很强的穿透性。比如高能量的电子、中子、伽马射线等很轻易穿透衣服进入人体内部组织。因此,没有系统科学的辐射防护知识,很容易对人体造成伤害。

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
阿尔法射线、贝塔射线、伽马射线的穿透特性。「图片来源网络」

当然,抛开剂量谈危害就是耍流氓。

标度辐射危害可以用单位为西弗(Sv)的等效剂量。下面这个表总结了各种辐射源的辐射剂量以及危害。从蓝色区域到绿色区域再到红色区域依次增强。蓝色区域的总剂量只是绿色区域的一个小格,而绿色区域的总剂量也只是红色区域的一小格。注意蓝色区域和绿色区域对人都是基本无害的。绿色区域最大方阵对应的是美国核从业者每年允许接受的最大剂量,为 50 毫西弗。有意思的是吃香蕉也是有辐射的,一根相当于 0.1 微西弗。因此有一个概念叫香蕉等效剂量,用来表征辐射剂量。

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
辐射剂量表,「图片来源网络」

我们来看几个例子:

  • 你可能不知道你的另一半睡在你身边也是对你有辐射的「当然你对他 / 她 / 它也是有辐射的」,剂量 0.05 微西弗;
  • 住在距离核电站 50 英里一年接受的辐射只有 0.09 微西弗,相当于搂着老婆睡两个晚上;
  • 吃一根香蕉 0.1 微西弗;
  • 住在距离传统火力发电站 50 英里一年接受 0.3 微西弗「比住在核电站附件还要高啊」;
  • 使用老式的大头电视电脑显像管屏幕一年只有 1 微西弗,相当于十根香蕉;
  • 牙医 X 射线一次 5 微西弗,50 根香蕉;
  • 人每天接受的宇宙背景辐射大约为 10 微西弗,相当于两次牙医 X 射线,100 根香蕉;
  • 做一次飞机从纽约到洛杉矶为 40 微西弗;
  • 做一次胸透 X 射线 20 微西弗,200 根香蕉;
  • 住在石头砖头混凝土房子一年 70 微西弗,相当于一年 3.5 次胸透 X 射线;
  • 三里岛核泄露事故十英里左右接受 80 微西弗;
  • 你可能不知道人体内钾 40 放射性同位素每年为你贡献 390 微西弗,相当于 19.5 次胸透 X 射线,78 次牙医 X 射线,3900 根香蕉;
  • 福岛核事故禁区两周内剂量 1 毫西弗;
  • 脑 CT 比较猛,2 毫西弗,一年最多能做 25 次;
  • 背景辐射一年累计大约 4 毫西弗;
  • 2010 年在切尔诺贝利核事故电站待一小时累计 6 毫西弗「事故发生 24 年以后」;
  • 胸透 CT 比胸透 X 线猛,一次 7 毫西弗;
  • 美国核从业者每年允许接受的最大剂量为 50 毫西弗;
  • 一年累计 100 毫西弗能明显增加癌症患病几率「1 百万根香蕉」;
  • 一次性接受 400 毫西弗能直接导致明显辐射中毒症状;
  • 2 西弗剂量后果十分严重,可能直接致死;
  • 再往上,找死。
  • 不过要说明的是,手机辐射不是电离辐射,对人体没有直接危害。

下面现身说法,以强激光等离子体相互作用实验来简要叙述实验室中电离辐射的产生以及防护。

下图描述的实验中,超强激光聚焦在气体或者固体靶上产生等离子体,激光与的等离子体的相互作用中产生超强静电场,从而加速质子,离子,电子至相对论能量。若靶为富含中子的碳氢或者甲烷等团簇靶,激光电离过程产生的电荷分离场能够导致库伦爆炸,从而产生高能中子。另外带电粒子与其他次级靶或者激光的相互作用可以通过韧致辐射、同步辐射、康普顿散射等机制产生硬 X 射线、伽马射线,次级电子及正电子。

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?

上面提到的这些产生的物质均为电离辐射。

但是实际上我们注意到激光能够电离物质,自然也是电离辐射。目前世界上的超强激光大多为 800 纳米至几微米的近红外到中红外光。这种激光的波长较长。光子能量仅为 eV 左右或以下,而电离原子则要求光子能量为至少约 10eV 左右或以上。因此,一般认为激光非电离辐射,比如下图。长波长的射电波、微波、可见光甚至近紫外都被认为是非电离辐射,而仅有波长很短的 X 射线和伽马射线被视为电离辐射。

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
「图片来源网络」

然而,单光子能量低不代表不能电离。当激光强度高到一定程度以后,能够发生诸如多光子电离、阈上电离、场致电离等[1]。如下图多光子电离指的是当多个光子的能量加起来达到电子的电离能的时候,原子可以通过吸收多个低能量光子从而释放电子。阈上电子与多光子电离稍微不同的是,原子能够多吸收几个光子是的光子总能量大于电离能,而多余的能量则转换成电子的动能。场致电离是指当激光的电场强度很高的时候,电子感受到的电势垒不在对称,而总的电势是原子本身电势和激光电场导致的电势的叠加,这样的效果是导致电子感受的势垒沿特定方向「取决于激光电场」倾斜,因而在特定方向上电子的势垒低于电离势,从而导致电子电离逃逸。

因此,当激光的强度高到一定程度能够发生电离的情况下,即使是可见光也应该被视为电离辐射。

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
图片来自「Marco Garten, Comparing field ionization models in simulations of laser-matter interaction, Bachelor of Science im Bachelor-Studiengang Physik, HZDR, Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf 2013 」

接下来看下这些电离辐射应该如何防护。

首先是直接防护。

激光的防护主要靠激光防护眼镜。防护眼镜的核心是滤波片。滤波片一般对特定波段具有截至作用,使得其透过率很低,从而降低入射人眼的激光强度。当激光强度降低以后,电离作用不能发生,则激光不再为电离辐射。

质子,电子,正电子等带电粒子及 X 射线伽马射线的防护主要依靠高 Z 材料,例如铅,组成的厚厚的防护墙进行防护。这些粒子在进入防护墙以后与原子相互作用,逐渐损失能量直到完全被停止。下图展示蒙特卡洛模拟中铅墙对于电子,正电子,以及高能光子的屏蔽作用[2]

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
图片来自 「PhD thesis, Guillermo Javier Marrero Samarin, Experimental Studies of Radiation Reaction and Photon-Photon Collisions in Ultrahigh Intensity Regimes, QUEEN’S UNIVERSITY BELFAST」

中子比较特殊,中子因为不带电,通过物质时不与原子外层的电子相互作用,因而具有很强的穿透力,对人体产生的危险比相同剂量的 X 射线、伽马射线更严重。因此对于的中子的防护除了高 Z 材料的阻挡作用,一般需要先在前面添加低 Z,如塑料石蜡等材料,进行中子慢化减速。

以上的直接防护手段当然是最后的防线。也是最危险的防线。对电离辐射的防护作用更好的是管理方面的手段。比如安全培训,标准操作流程「SOP」,防护标志,累计剂量追踪设备等等。

最后简要介绍下电离辐射的应用。

凡事都有其两面性,电离辐射对人体有显著的危害,但也能造福人类。

比如上面提到的已经广泛应用与医学的 X 射线成像,CT 扫描。医用 X 射线的剂量甚至比宇宙背景辐射还低。

用于定向肿瘤切除的伽马射线刀。以及更有希望的质子束癌症治疗。

X 射线及伽马射线在到达病变位置的图中也会均匀的将能量沉积给正常组织,因此杀敌一千自损八百,治病的同时也将导致新的危害。而质子具有布拉格峰,在穿透人体组织的过程中基本不损失能量,只在即将停止的位置释放大部分能量,因此形成能量损耗尖峰。通过控制质子的能量,能够实现在特定位置的精准靶向治疗[3]

「电离辐射」的原理是什么,有什么危害,该如何有效防护?
质子的布拉格峰。「图片来源网络」

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