辐射的认识

在我们生存的宇宙空间里是充满着各种辐射的，自古以来，地球上的生命便暴露于自然环境的辐射中。这些辐射各不相同，主要包括热辐射、不同能量的电磁波(例如光线、无线电波及X射线等)、超声波，以及由放射性物质因衰变放出的粒子(例如α粒子及β粒子等)。根据这些辐射所含能量的大小，大致可以将这些辐射分为非电离辐射及电离辐射两类。一般来说，非电离辐射(例如光线及无线电波)的能量较低，不足以改变物质的化学性质。相反，电离辐射(例如α粒子及β粒子)有足够的能量使原子中的电子游离而产生带电离子。这个电离过程通常会引致生物组织产生化学变化，因而对生物构成伤害。一般所指可引起伤害的辐射，就是电离辐射。

我们生活的周围存在着各种天然辐射

电离辐射与非电离辐射的区别

辐射是无声、无色、无臭、无味，大部份亦无法凭触觉感觉其存在，只能借助专门的辐射检测仪器探测和量度它们。因此一般人对辐射都存有恐惧。其中一个原因可能是大众对辐射不大了解。因此，为了帮助大众对辐射有一个完整、正确的认识，我们特整理了些资料供读者参考。

l  辐射是什么？

我们知道，世上所有物质都是由细小的原子组成。而辐射主要由原子释放出来，因此要认识辐射，首先要了组成物质的这些原子的结构和特性 :

1)原子的结构

世上所有物质都是由细小的原子组成，而每粒原子有一个被电子包围着的原子核。细小的原子核内含不带电荷的中子及带正电荷的质子，而带负电荷的电子则沿轨道环绕原子核运行，情况就好像行星环绕太阳运行一样。

通常，原子内的质子和电子的数目是相同的，所以原子不带电荷。氢是最细小的原子，它的原子核内只有一颗质子。而较大的原子，其原子核内质子及中子的数目则更多。例如，碳-12的原子核内有6颗质子及6颗中子，而铀-238的原子核内便有92颗质子及146颗中子。

大部分原子的原子核都是稳定的，即是说会长期保持原来的状态。不过，有些原子核，尤其是那些较大的原子核，却是不稳定的。这些不稳定的原子核具有放射性，它会自发地释放出粒子或电磁波，从而回复到稳定的状态，这个过程称为衰变。这些具有放射性的原子核称为放射性核素，而放出的粒子和电磁波则统称辐射。

原子的结构

不同的原子带有不同数目的中子、质子和电子

2)不稳定的原子核

原子核的稳定度可以用若干参数来描述，其中一个参数是核粒子的结合能。原子核的总结合能是指把原子核分开成为独立核粒子所需的能量。换句话说，独立核粒子结合组成一个原子核，就会释放出相等于该原子核的总结合能的能量。如果把原子核内每颗核粒子的平均结合能(又称比结合能)与质量数 (原子核中的质子和中子的总数) 绘制成图(右下图)，便可发现图中曲线在质量数大约等于 56 (即铁原子核) 时到达最高点，即是铁原子核的总体能量最低。因此，如以能量作为考虑因素，任何大于铁的原子核，会倾向分裂，放出多余的能量。而较小的原子核则倾向互相结合，组成较大的原子核。

铀-235是核电站的燃料，其原子核内有 92 粒质子及 143 粒中子。由于原子核不稳定，铀原子核会分裂，并在过程中释放多余的能量。

不稳定的原子核

原子核的比结合能与质量数(质子和中子总数)

3)衰变

一颗不稳定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定，这个过程称为「衰变」。这些粒子或能量 (后者以电磁波方式射出) 统称辐射。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。

放射性核素在衰变过程中，该核素的原子核数目会逐渐减少。衰变至只剩下原来数目一半所需的时间称为该核素的半衰期。每种放射性核素都有其特定的半衰期，由几微秒到几百万年不等。

每经过一个半衰期，放射性物质的放射性便会剩下一半，经过二个半衰期，放射性便会剩下原先的四分之一，余此类推。

铀的衰变示意图

l  辐射从何而来？

一般来说，辐射按其来源可以分为两大类：天然辐射和人工辐射。

1)天然辐射

我们接触到的天然辐射包括来自外层空间的宇宙射线及存在于食物、空气及居住环境的天然放射性物质等。

文章天头说到，在我们的生活的周围，辐射其实是无处不在，甚至连我们自己的身体都具有放射性。其实我们每日都会接触到各种各样的辐射，特别是天然辐射。在本港，平均每人每年吸收的天然本底辐射剂量大约为2毫希沃特。在世界各地，每人吸收的天然本底辐射剂量一般都是由每年1毫希沃特到10毫希沃特不等(数据源 ﹕联合国原子辐射效应科学委员会 (UNSCEAR) 第2000年报告)。

地球在诞生时，便存在着天然放射性核素，如铀-235、铀-238、钍-232及镎-237等。它们因衰变而产生的子体核素亦属不稳定及具有放射性。这些子体放射性核素会继续衰变，直至到达稳定状态。它们在衰变期间会放出对人体有害的α粒子、β粒子或γ射线。铀-235、铀-238、钍-232及镎-237的半衰期分别为7亿年、45亿年、140亿年及2.3百万年。由于镎-237及其子体核素的半衰期远低于地球的年龄，它们现已不存在于地球上。相反，铀-235、铀-238及钍-232衰变系列的放射性核素仍然存在于我们的生活环境中。地壳土壤及建筑材料内，都含有这些天然的放射性核素，因此我们吸收到的天然辐射剂量与所在地区的土质成份有关，亦与我们居所的建筑物料有关。

氡气(特别是氡-222)是一个主要的天然辐射源。氡-222主要由泥土及岩石中的铀-238衰变产生，并从地面散发至大气中。如室内空气不流通，散发出来的氡气会积聚在室内。氡气在衰变过程中会放出α粒子，当我们吸入氡气时，我们的肺部便会受α粒子影响。为保持健康，我们应该保持室内空气流通，以免氡气积聚。

另一个天然辐射来源是来自外层空间的宇宙射线。由于大气层有阻挡宇宙射线的作用，离地面越高，宇宙射线的强度就越强。宇宙射线的主要成份是高能量的质子，其次是氦原子核及少量原子序数3或以上的重粒子和离子。宇宙射线进入地球大气层后，会与大气高层的氮、氧等原子核发生反应，产生氚、碳-14等放射性核素及中子、质子、电子、μ介子、π介子等次级粒子。当中，碳-14经常被用来鉴定古物所属的年代。

我们的体内亦含有放射性核素。例如钾-40、铀、钍、镭、碳-14、氚、钋等。我们日常吃的食物也含有少量放射性物质，食物被消化后会被身体吸收，成为身体的一部份。与此同时这些放射性物质亦会衰变减少或被排出体外。当我们食入和排出的放射性物质达到平衡时，我们体内便维持着一个稳定的辐射水平。

2)人工辐射

我们接触到的人工辐射以用于医疗诊断的X射线所占比例最多。其余的来源有大气层核试产生的放射性尘埃、夜光表、电离室、烟雾探测器等。

人工辐射在医学上和工业上都有广泛用途，由于辐射对人体可能有害，人们在辐射的应用上作了很多研究，尽量在应用过程中保护使用者的安全。所以人们吸收的人工辐射，远比天然辐射小。而当中以医疗诊断和治疗时所引致的剂量占绝大部份。

在医疗诊断的辐射造影过程中，病人需要接触辐射。譬如在进行X光检查时，我们需要暴露在X射线下。在进行某些器官的造影时，可能需要将放射性物质注入或进食入身体内。放射治疗则更加需要足够的辐射去杀死癌肿瘤。

医疗辐射在所有人工辐射中占的比例最大

核能发电亦是人工辐射来源之一。核电站在运作过程中排放出带有微量放射性的废气和废水，而核废料在运送或处理过程中亦放出微量放射性物质，这些都是人工辐射的来源。

另外，在一九四五年至一九八零年期间，世界各地进行了多次大气核试爆，所产生的放射性尘埃随风扩散，部份沉降到地上。这些放射性沉积物为我们自然环境增加了额外的人工辐射

其他人工辐射来源包括电视机及视象显示器等，它们的真空管会发放X射线。夜光手表和烟火传感器等消费品中亦含有放射性物质。

所有以上这些应用于工业、医疗及教育的放射性物质在经过长时间使用后，都会失去原有的功能，变成核废料，虽然这些废料的辐射强度已经下降了很多，但是相比普通物体，这些废料仍含会有高于环境本底的残余辐射，因此对于这些人工辐射核废料依然要保持足够的关注。

l  辐射有什么用途？

辐射与我们息息相关，很多时我们不知不觉间已经享用到辐射应用所带来的好处。无论在发电、医疗、工业方面，辐射的应用都多不胜数。只要运用得宜，辐射也可以造福社会。

1)发电

随着世界人口不断膨胀及经济增长，人们对能源的需求日益增加。我们消耗能源的速度，远超过地球所能负担，核能是解决能源需求日增的其中一个方法。目前世界各地的核能发电反应堆有大约四百四十个，供应全球所需电力的约百分之十七。这些发电厂主要利用铀或钚的原子核分裂而发电。

中国目前已投入使用的核电站分布图

2)工业及农业上的用途

在工业方面，γ射线穿透力特强，可用作探测焊接点和金属铸件的裂缝。另外，在工业生产在线的自动质量控制系统，例如测检罐装饮品内的饮料高度或香烟的烟草密度等，都广泛应用了辐射。辐射更可用于量度电镀薄膜的厚度，也可用于消除静电。

建筑工人借助X射线探伤仪对管道窒进行探测

在农业方面，放射性同位素经常被用作追踪剂。将放射性物质加入肥料中，然后量度农作物的放射性，便可以知道有多少肥料被吸收，及有多少流失。辐射亦可供灭虫之用。Sterile Insect Technique (SIT) 可以令昆虫失去繁殖能力，从以减少牠们的数目。墨西哥运用了这种方法，成功地把害虫的数目大大减少。在联合国食物及农业组织 (FAO) 及国际原子能机构 (IAEA) 的协助下，这个计划正在多个国家进行。

3)消费品用途

有些用品，如烟火传感器、荧光指示牌和避雷针等都包含放射性物质。通过合适的设计和适当的使用，辐射的好处其实远远大于其所引起的危害。

4)考古用途

透过量度古物内天然放射性物质的浓度，我们可以鉴定古物所属的年代，常用的技术包括「碳-14定年法」和「热释光定年法」，对地质学、人类学及考古学的研究都有莫大的帮助。

碳-14是因宇宙射线撞击地球大气层而产生的，碳-14氧化成二氧化碳后会被植物吸收。同时，动物又会进食植物，所以大部份有机体都会有一定份量的碳-14。但当植物和动物死去，他们便会停止吸取碳-14。碳-14的份量因衰变会随时间而减少，每经过一个半衰期(即大约5,730年)，含量便会减半。透过量度古代有机体的碳-14含量，我们便可以估计该有机体的死亡年份。

碳-14同位素定年法的原理

泥土中含有微量的铀、钍和钾等天然放射性物质，这些放射性同位素的半衰期可以长达10亿年。同时，粘土中又含有各种无机晶体和矿物质。当无机晶体受到上述放射性物质照射后，一部份辐射能量会令晶体发热，另一部分能量则贮藏在晶体中。如果晶体被加热，部份能量会以可见光的形式释放出来，这种现象叫做热释光现象。热释光定年法可判断古物距离最近的一次加热的时间，古物发出的热释光越强，年代就越远，反之，则属较近期。热释光定年法常被用作判断陶器的年代。

资料整理：广州极端科技有限公司（部分内容来源网络）

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