十面埋“辐”你知多少

环保学堂 来源:环境与生活 2016-6-22 17:00:00 5341 0条评论

由于宇宙射线和地球上天然放射性元素的影响,“危”风凛凛的“核辐射”在我们日常生活几乎无处不在,工作,生活和学习无形中都要接触辐射源,比如来自地外的宇宙射线、家装材料中的放射性成分、去医院做X光和CT检查等。生活中的核辐射到底可不可怕?哪些是人体可以忽略的?哪些又是长期接触很高危的?该如何防护它们的伤害?


 

辐射,是一种能量,以电磁波或粒子形式在真空或者物质媒介中传播。自然界中,某些原子本身并不稳定,有可能分裂或转化成其他原子,同时释放出看不见摸不着的射线在空间传播,这就是让人闻之色变的“核辐射”。这些射线能量很高,比原子核同周围电子的结合力还要大,使一些电子摆脱了原子核的束缚而逃离,这个过程叫做电离。严格来说,电离辐射才是核辐射正确的称呼。

 

发现天然放射性的第一人——法国物理学家贝克勒尔


 

辐射单位从“居里”回到“贝克”


 

1896年3月,“科二代”出身的法国物理学家贝克勒尔发现,把含铀的盐和避光包装的胶片放在一起,胶片曝光了。同年5月,他又发现金属铀也有同样的效果。他由此断定,铀可以放出某种能使胶片感光的射线。

在贝克勒尔率先发现放射性的两年后,居里夫妇发现另外两种元素——镭和钋也有这样的性质,并把物质能够放出某种射线的特性称为“放射性”。由于在放射学方面的深入研究和杰出贡献,贝克勒尔和居里夫妇共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。

1975年,第十五届国际计量大会为纪念贝克勒尔,将放射性活度(表示放射性强弱)的国际单位用他的名字命名,简称贝克(Bq)。1贝克表示放射性核素每秒有一个原子发生衰变——发出电离辐射。此前,国际上一直用以居里(Ci)命名的单位。

 

19世纪末,居里夫妇发现了放射性元素镭,并明确了放射性的定义。


 

防电离辐射的三大路径


 

人和其他生物都是由原子这个基本单位组成的。如果体内的原子被射线附带的巨大能量电离,无异于破坏了体内各种生物大分子的结构,特别是一些具有重要生理功能的成员,如细胞膜、复制中的DNA、重要的代谢酶、关键蛋白质等等。

即使在健康状态下,人体内的各种生理生化反应也难免会出现一些瑕疵和小故障,就连DNA序列这样重要的密码结构也有缺失、错排的情况发生。只是瑕不掩瑜,而且身体有修复机制来应对,所以不会有实质性危害。而电离辐射会引起故障率的增加,使更多细胞坏死或变异。如果辐射剂量带来的伤害超出了人体的修复能力,就会造成组织器官病变、造血功能缺失、不孕不育、患癌风险增加等后果。由于早年不了解电离辐射的危害和防护,被放射线长期照射的科学家不在少数,居里夫人的逝世正是由于电离辐射  引发的恶性白血病所致。

同样原理,电离辐射也可以用来对付病原体(杀菌消毒)和肿瘤细胞(放疗),可谓既能致病又能治病。

电离辐射影响人体的途径有两种——外照射(射线从体外照射人体)和内照射(进入人体的放射性核素在体内发出射线照射人体)。减少接触、敬而远之(距离越远辐射越弱,并且衰减速度也越快)和材料屏蔽,是防护电离辐射的三大路径。由于不同射线的属性和杀伤力是有区别的,防护对策也各有不同。我们挨个扒出来看看吧。

 

3种射线的穿透力对比示意图


 

α射线:体外无妨 体内猖狂


 

1898年,有“原子物理学之父”称号的英国物理学家卢瑟福在研究放射性元素衰变时,发现了一种由氦原子核(下简称氦核)组成的高速粒子流,带正电,将其命名为α射线。地球上质量和体型较大的放射性元素,如锔、镅、铀、钚、钍、钋等等,每衰变一次,就“Duang”出一部分α射线。

α射线的电离本领是几种电离辐射中最强的,其能量可达5兆电子伏(1兆电子伏=1000千电子伏),而只需10电子伏的能量就能使原子电离,因此对活体细胞和组织的杀伤力极大。好在α射线在传播过程中损耗很快,在空气中只能传播几厘米,是穿透力最差的电离辐射,一张纸片和人的表层皮肤就能把它轻松拦下。宇宙射线中倒是有一部分“射程”较长的α射线,能够穿透人体组织甚至薄金属板,“然并卵”,它在到达地表之前早已被地球的大气层和磁场消灭殆尽,只有身处太空的宇航员才需要提防它们。

因此,体外的α射线一般奈何不了我们——只要皮肤没有伤口,就算直接触摸也不用担心 “射伤”。但如果它的放射源随呼吸、饮食和注射等方式被带入体内,比如带有放射性核素的粉尘、食物和饮水,形成“内照射”,杀伤力就大不一样了。

对于组织器官密布的体内,α放射源会像个大灯泡一样“烘烤”着周围的细胞组织,几厘米的“射程”不再是短板,再加上α放射源本身还有极强的化学毒性,因此危险性反而是最大的。维基百科英文网资料显示,内照射时,α射线对活体组织造成的有效剂量,相当于等量γ射线和X射线的20倍。

 

电离辐射造成DNA损伤示意图


 

β射线:能穿皮肤 “铝”试不爽


 

β射线是一种高速电子流,带负电,与α射线一同被卢瑟福发现。它通常来自非放射性元素的放射性近亲(同位素),比如碘-131、氚(氢的兄弟)、锶-90、钠-24等,能量一般在几十万电子伏左右,明显小于α射线。β射线的传播距离比α射线稍长一些,可以穿透皮肤进入体内组织器官,需要几毫米厚的铝板或几厘米厚的塑料板来阻挡。同样因为带电,β射线会被磁场干扰而改变传播方向,或者与空气中的正电荷“异性相吸”,它在外照射方面的威胁还算容易化解。内照射时虽然也有不俗的威力,但远不及α射线凶猛。

 

洁具、瓷砖等家装建材会释放少量放射性气体氡,是室内电离辐射的主要来源。


 

X射线和γ射线:欺小怕大


 

1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线(因此也叫伦琴射线)。1900年,法国化学家和物理学家维拉德在研究镭元素时,发现了能量比X射线更高的γ射线。这两种射线骨子里是高频电磁波,和可见光、红外线、紫外线、无线电波、微波一同被列入电磁波谱中,不过它俩的能量之高是其他电磁波无法比拟的,所以也称高能光子。

X射线的能量介于100电子伏至100千电子伏之间,γ射线的能量范围则达到几百千电子伏至10兆电子伏,其中钴-60和铯-137两种人造放射源的γ射线能量较为突出,常用于医疗、农业育种和工业测量领域。由于自身静止质量为零,又不带电,X射线和γ射线的穿透力远在β射线之上,纸片、皮肤、木质板材和铝板已经无法阻止它们了,所以在外照射时,这哥俩的危害是最大的。

进一步研究发现,X射线和γ射线在物质中的穿透力具有“欺小怕大”的特点:材质的密度和组成该材质的原子个头越大,越能有效化解它们强大的辐射能量,厘米级以上厚度的混凝土层(核电站反应堆安全壳外层就是混凝土结构)和毫米级以上厚度的金属铅,是屏蔽X射线和γ射线的良材。

人体软组织几乎都由较小原子组成,对X射线的阻挡能力微乎其微,而富集钙的骨骼结构吸收的辐射能量就多一些。X射线透视检查就是利用物质的密度差,让我们看到了一副“清秀”的人体骨架和乘客箱包里的秘密。

 

X射线和γ射线穿透力极强,需要用致密和原子体积较大的材质来阻挡,金属铅是最具性价比的选择。


 

中子射线:擅长玩弄魔法


 

顾名思义,就是高速运动的中子流。中子是原子核中的组成单元之一,不带电。在核电站里,它是触发反应堆核裂变反应的“开关”。比起上面几位兄弟,中子射线还能把本来没有放射性的元素变成放射性元素——中子活化。体内原本乖巧无害的钠元素被“灌下”一个中子之后,就成了具有放射性的钠-24,带来二次辐射。要屏蔽它,需要用水、石蜡、硼砂等富含氢元素或硼元素的物质来为它减速。不过幸运的是,中子射线露脸的场合要比其他射线少得多,来自宇宙中的中子射线微乎其微,地球上能自发释放出中子射线的放射性元素也只占很小一部分,对人体无关痛痒,只有核武器和严重核事故等极端情况,才会造成足以引起重视的中子辐射。

 

1896年1月23日,X射线发现者、德国物理学家伦琴以妻子的手为对象拍下了人类史上第一张X光片,图中的“异物”是一枚戒指。


 

人体内竟然自带辐射


 

不少化学和生物成分的危险性都遵循“关键看剂量”的逻辑,电离辐射同样如此。计算人体辐射吸收剂量的单位叫希沃特(Sv,也译作西弗),简称“希”。这是个很大的单位,短期内只要受到0.4希的电离辐射就会出现皮炎、脱发、白细胞减少等急性中毒症状,超过2希就有致命危险,8希以上则回天乏术。为了计量方便,平时常用的单位是毫希、微希(1希=1000毫希;1毫希=1000微希)以及雷姆(rem,1雷姆=10毫希)。

由于宇宙射线和天然放射性元素几乎无处不在,纵然没有人工核设施,我们在生活中也是十面埋“辐”:照一次X射线胸透约为20微希,坐飞机每小时额外受到的宇宙射线辐射为3微希,在砖石或混凝土建筑中住一年约70微希,胸部CT一次则高达5.8毫希,就连人体内的必需微量元素钾,都有一部分是具有放射性的钾-40,吃一根香蕉平均也会受到0.1微希来自钾-40的辐射……

总账算下来,联合国原子辐射影响问题科学委员会统计得出,全球普通人每年受到的有效辐射剂量通常在1~10毫希之间,平均2.4毫希,其中八九成是宇宙射线和天然放射性元素的本底辐射,其余几乎都来自放射性医疗和诊断设备。以这样的辐射剂量,健康人的细胞“体质”和修复能力足以平衡电离造成的不良影响,至于致癌风险,得加码到100毫希/年以上才能办到。对于不和放射性行业打交道的普通公众来说,高纬度、高海拔和过分做放射性医疗,是导致辐射剂量较高的几大因素。

 

氡几乎是日常生活中的头号电离辐射源,图为美国人均年辐射吸收量及来源组成。


 

“老烟枪”辐射量或超百倍


 

要说生活中真正需要关切的电离辐射,主要是氡造成的室内污染。

氡是一种无色无味的稀有气体,易溶于水。氡的化学性质比较慵懒,正常状态下不会和其他物质发生化学反应。它的厉害之处在于既能放出α射线也能放出γ射线,可以通过吸入和饮水潜入人体,所以内照射和外照射都很擅长。居室内的氡通常源自建筑材料和装饰材料,如矿渣砖、花岗岩、大理石、瓷砖等等。令人头疼的是,常规的电离辐射屏蔽措施在居家中要么收效甚微,要么很难操作。除了源头把控,性价比最高的方式还是通风换气,让室内空气流动起来。

其实还有一个“毁三观”的生活辐射源——吸烟。美国环保署指出,烟草还长在地里的时候就含有少量天然放射性核素镭、氡-222、铅-210和钋-210。美国国立卫生研究院(NIH)收录的一篇文献数据显示,如果按每天一包半的吸烟量计算,吸烟者一年受到的辐射高达60~160毫希,超出常人几十倍。

实际上,电离辐射就像水、电、气一般,既能造福人类(工业和医疗领域的利用),又能荼毒生灵。只要了解辐射的特性,就能把潜在危害和风险降到最低。



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[责任编辑:XK]
 
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