【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少

2020-02-19 - 核辐射

我们生活的世界里有着各种各样的辐射:从穿越星系而来的宇宙射线、核电站的核燃料到家里的大理石地板砖,从医院的X光机到阳光里的紫外线,从手机、微波炉、高压线到电视台广播台的信号塔,辐射无所不在,到处都是可能成为人们畏惧辐射的对象。

【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少
【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少

有些人对“辐射”非常恐惧,你甚至可以买到专门用来屏蔽无线电波的“防辐射孕妇装”、“防辐射床单”。还有各种诸如“木耳防辐射”、“仙人掌防辐射”、“瓶装矿泉水防辐射”、“喝酸奶防辐射”等等流言。那么,我们到底对辐射了解多少呢?这些防辐射的装备真的能防辐射吗?

【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少
【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少

我们关心的辐射,可以粗略地分成两类,核辐射和电磁辐射。这两种辐射并不是截然分开,核辐射里面的gamma射线也是光子能量比较高的电磁波[见文末备注]。

核辐射就是放射性元素产生的辐射,是携带很高能量的质子、中子、氦原子核、电子、光子等等。放射性元素会不断地发生衰变反应,变成另外一种物质并放出辐射,辐射的射线有三种:alpha射线(氦核)、beta射线(电子束)和gamma射线(高能光子);原子质量比较大的放射性元素也会发生裂变反应(核电站或原子弹)放出中子或其他射线;较轻的原子核在一定条件下会发生聚变反应放出中子或者质子射线;而高能宇宙辐射在大气里面也会产生大量的次级辐射。

【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少
【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少

我们日常生活中不会遇到聚变反应,裂变反应产生的射线一般也只有在核电站里才有,所以比较常见的是放射性元素的衰变射线和宇宙辐射。

核辐射=危险?

我们无时不刻不在受到各种核辐射。放射性元素衰变的三种射线里面,alpha和beta这两种射线在空气里面传播的距离都比较短,不近距离接触放射性元素对人体是没有影响的,“防辐射服”和普通的衣物对于人体外部的这两类射线都有一定的防护效果。

【核辐射对人的伤害原理】核辐射伤害知多少

但是实际上我们喝的水,呼吸的空气,里面都含有少量的放射性元素,比如空气里面有一定的碳14(beta衰变成氮14)、地下水和土壤里含有微量的氡,等等。所以实际上,我们体内就有相当量的放射性元素,给我们带来从内到外的核辐射。

更不用提提穿透性很强gamma射线,还有从天而降的高能宇宙辐射在大气里产生的大量次级辐射。所谓的“防辐射服”并不能防范这些辐射,完全隔绝这些辐射是不可能也是不必要的。人们受到的这部分核辐射一般称为天然辐射或自然辐射(natural background radiation)。

某些情况下,在工作场所(核电站)或者生活中(发生过核爆或者核污染的城市)会在天然辐射之外接触到更多的辐射。只要人体受到的辐射量不超过一定的标准,比如说和天然辐射比较小很多,就可以认为是安全的。比如说,核电站里面的核裂变反应是与外界隔绝开的,并没有太多的辐射泄漏出来,而在核电站内部的工作人员一般会配备辐射剂量表,核电站周围的辐射也会受到监控,以此来保证工作人员和周围居民的安全。

核电站对周围核辐射的贡献比天然辐射小的多,对核电站的恐惧是没有道理的。

核辐射对生物体的伤害是怎么造成的呢?生物体内有大量的各种分子,分子内部的化学键一般键能为二到十个电子伏。核辐射的各种微观粒子带有的能量都比化学键的键能高,因此有一定的可能性破坏人体内分子的化学键,造成分子的性质改变。

大部分情况下,细胞内的个别分子被破坏失去生理活性之后,或者整个细胞受损死亡后,会很快被人体分解吸收、重新利用,不会造成重大的伤害。核辐射对生物体的伤害在食品生产中用来常温杀菌,食品经过高强度的射线照射之后可以保证大部分的细菌被灭杀。治疗癌症的放射疗法(放疗)是另外一种应用,通过对癌变的部位进行高强度的辐射处理,使得癌细胞(也包括正常细胞)大量死亡,达到抑制癌症的目的。

核辐射有一定的可能性对细胞里的DNA等分子造成伤害(原图来自windows2universe网站)

在极少数情况下,这种伤害可能会造成细胞内染色体上基因的变化,如果恰巧是生殖细胞的基因被改变了,那么如果能够产生正常的后代,就有可能获得一些新的性状。太空育种、辐射育种就是利用高强度的辐射处理种子,然后从这些受到高强度辐射之后还能够发芽的种子里面筛选培育,获得性能比较好的新品种。

因为天然辐射而产生的新基因、新品种在生物进化过程中也起到了相当重要的作用,从这个角度来说,维持一个低水平的辐射对于生物种群的进化和发展是有好处的。

当然,这种伤害也有一定可能会导致正常的体细胞基因发生变化,如果这种变化不能修复并且细胞仍然存活,就有可能出现细胞不受控制地复制的情况,就成了癌细胞了。因此,长时间接受较高强度的核辐射是有导致癌症的可能性的。

但是,如果受到的辐射强度不大的话,就不用去担心。像前边说过的,日常受到的核辐射是不可能完全隔绝的,这样的危险总是难以避免,担心也没有用,没有必要过于恐惧。尽量避免接触强的核辐射就好了,比如说应该小心放射性超标的大理石地板、避免直接接触核材料。居里夫人因白血病去世,邓稼先因直肠癌去世,这可能和他们长时间接触放射性物质有关系。

下面的表格列出了一些跟生活相关的辐射数据,除特殊说明外,数据均来自[1],不同来源的数据可能在细节上略有差别,不过大体的数量级应该是一致的。数据用来衡量辐射对生物体组织的伤害(剂量当量),单位是Sv(Sievert,译作西弗或者希沃特),一Sv等于一焦耳每千克,表格里面单位比较小,实际是毫(千分之一)Sv。

从表格里面可以看出,除航空、采矿行业之外,高辐射行业的职工在工作中受到的辐射都比天然辐射小。核电站的工作人员每年受到的辐射是1.12mSv,核电站周围的居民受到的辐射一般认为比这小得多。了解这些数据,就很容易理解,对于核电站周围和乘飞机出行中的辐射没有必要担心。

备注:光、电磁波和光子

振荡的电场和磁场在空间中以波的形式传播就形成了电磁波,gamma射线、X光、紫外光、可见光、红外光、微波、无线电波和长波无线电,这些都是电磁波。电磁波具有波粒二象性,光子就是量子化的电磁波,是电磁波能量的最小单位。

在电磁波和物质相互作用时,物质只能吸收或者放出整个的光子。波长越长,频率越低,光子的能量就越小。可见光的光子能量在1.8电子伏(700纳米的红色光)到3.1电子伏(400纳米的蓝色光)之间。

(作者系科学松鼠会成员,凝聚态理论方向的在读博士生)

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