一、什么是輻射

輻射存在于一切物質(zhì)之中，是物質(zhì)世界客觀的自然現(xiàn)象。我們?nèi)祟惥褪窃谔烊惠椛洵h(huán)境中歷經(jīng)漫長的歷史長河進(jìn)化而出現(xiàn)的。而輻射看不見、摸不著、嗅不到，容易讓人談“核”色變。因此，了解一些輻射的基本知識(shí)是非常必要的。

輻射和電離輻射

輻射是指以電磁波（例如微波和X射線）或粒子（例如β射線和中子）的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)射并在其中傳播的能量。自然界中的一切物體，只要在絕對(duì)溫度（相當(dāng)于-273.15°C）以上，都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，其傳播形式即為電磁波。例如萬物生長所必須的陽光是一種輻射，我們曬太陽是在接受輻射，患者在醫(yī)院接受X射線診斷檢查，接受質(zhì)子、電子和中子治癌都是在接受輻射。

按照輻射所攜帶能量大小的不同，輻射分為電離輻射和非電離輻射（以電磁波為例，輻射應(yīng)用實(shí)例如圖1.1所示）。

電離輻射也稱為核輻射，是指有足夠的能量使物質(zhì)的原子釋放電子，從而使原子帶有電荷的輻射。α射線、β射線、γ射線和中子輻射等都是電離輻射。

非電離輻射指低能電磁波，其能量低，不能使原子釋放電子。其中長波長、低頻率的電磁波具有較低的能量，反之則具有較高的能量。我們?nèi)粘Ｉ钪械臒o線電波、微波、紅外線、可見光及紫外線都屬于非電離輻射。

下文中提到的術(shù)語“輻射”僅指電離輻射。

輻射基礎(chǔ)知識(shí)

1．輻射從“核”而來

物質(zhì)都由分子組成，分子由不同的原子組成，原子又是由原子核和核外電子組成。原子核僅占整個(gè)原子大小的十萬分之一，但卻占到了原子的幾乎全部質(zhì)量。

原子核通常是由質(zhì)子和中子組成的粒子簇，粒子彼此緊緊依附在一起。質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，中子不帶電荷。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱為原子的質(zhì)量數(shù)。具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子稱為核素，其中，具有相同質(zhì)子數(shù)的一類原子總稱化學(xué)元素，簡稱元素（如硼原子有5個(gè)質(zhì)子，其結(jié)構(gòu)和表示方法如圖1.2所示）。

具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的核素稱為同位素，在元素周期表中處于同一位置。同位素屬于同一種元素，化學(xué)性質(zhì)幾乎相同，舉個(gè)例子，氫有1H（氫）、2H（氘）、3H（氚）3種原子，就是3種核素，它們的原子核中都只有1個(gè)質(zhì)子，但分別有0、1、2個(gè)中子，這3種核素互稱為同位素。由于互為同位素的核素的質(zhì)量數(shù)是各不相同的，因此也可以簡單地用元素符號(hào)及其質(zhì)量數(shù)來表示，例如60Co（鈷）、131I（碘）和137Cs（銫）等。完整的原子通常既不帶正電荷也不帶負(fù)電荷，因?yàn)閹д姾蓴?shù)的質(zhì)子數(shù)與帶負(fù)電荷數(shù)的電子數(shù)相同。

當(dāng)原子核的中子、質(zhì)子數(shù)量在一定比例范圍內(nèi)，原子核是穩(wěn)定的（如1H、2H），超過一定的比例，則原子核變得不穩(wěn)定（如3H）。世界上有一百多種元素，而核素則高達(dá)上千種，它們當(dāng)中大部分是不穩(wěn)定核素。不穩(wěn)定核素能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核素，并以輻射的形式釋放能量，這種核素稱為放射性核素，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變。發(fā)射α粒子（4He原子核，含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）的衰變稱為α衰變，發(fā)射電子（或發(fā)射正電子或俘獲軌道電子）的衰變稱為β衰變。通常，不穩(wěn)定核素往往處于激發(fā)態(tài)，發(fā)射粒子后仍不足以平靜下來，然后以電磁波形式釋放能量，這種輻射稱為γ射線。與γ射線一樣，X射線也是電磁輻射，但是能量較低。

2．半衰期和衰變系

放射性衰變是一種自發(fā)的過程，單個(gè)原子核何時(shí)衰變是偶然的，而大量原子核的衰變服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們把某放射性核素衰變掉一半所經(jīng)歷的時(shí)間叫作該放射性核素的半衰期，可用于表示放射性衰變的快慢（如圖1.3所示）。某放射性核素經(jīng)過一個(gè)半衰期后，平均每100萬個(gè)原子中有50萬個(gè)原子轉(zhuǎn)變?yōu)榱藙e的核素。在下一個(gè)半衰期里，大約又有25萬個(gè)原子發(fā)生衰變，如此下去，直到全部衰變?yōu)橹?。?jīng)過10個(gè)半衰期后，原有的100萬個(gè)原子中就只剩有大約1000個(gè)。

地球年齡約為46億年。經(jīng)過了如此長的地質(zhì)年代之后，那些半衰期比較短的核素都已衰變完了。目前，還存在于地球上的放射性核素都只能維系在三個(gè)處于長期平衡狀態(tài)的放射性衰變系（也叫衰變鏈或衰變序列）中。這些衰變系的第一個(gè)核素的半衰期都很長，與地球年齡相近或比它更長。如釷系的釷-232，半衰期為1.41×1010年；鈾系的鈾-238，半衰期為4.47×109年；錒-鈾系的鈾-235，半衰期為7.04×108年。如果三個(gè)放射性衰變系中的其他核素獨(dú)立存在時(shí)，它們的衰變都較快，但當(dāng)它們維系在衰變序列內(nèi)時(shí)都伴隨第一個(gè)核素的衰變而衰變，因而它們可以留存至今。這三個(gè)放射性衰變系中的核素，主要是通過α衰變、β衰變和γ衰變而衰減的，直到穩(wěn)定核素為止。對(duì)于α衰變，質(zhì)量數(shù)減少4、電荷數(shù)減少2，在元素周期表中將向前移動(dòng)兩個(gè)位置；對(duì)于β衰變，質(zhì)量數(shù)不變，而電荷數(shù)增加1，在元素周期表中將向后移動(dòng)一個(gè)位置；而對(duì)于γ衰變，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都不變，因此在元素周期表中的位置不變。比如，鈾-238（92個(gè)質(zhì)子和146個(gè)中子）原子核首先發(fā)生α衰變，于是鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)殁Q-234（90個(gè)質(zhì)子和144個(gè)中子）。釷-234也是不穩(wěn)定的，但發(fā)生β衰變，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殓h-234（91個(gè)質(zhì)子和143個(gè)中子），此核素極其不穩(wěn)定，很快轉(zhuǎn)變?yōu)殁?234。鈾-234繼續(xù)衰變，直到最終成為穩(wěn)定的鉛-206（82個(gè)質(zhì)子和124個(gè)中子）而結(jié)束（如圖1.4所示）。

3．輻射的度量

我們用千克（kg）和噸（t）描述物質(zhì)的質(zhì)量，用米（m）和千米（km）來描述空間距離，那么輻射又是怎么描述的呢？

（1）活度

活度是描述放射性物質(zhì)放射性現(xiàn)象最基本的量，指單位時(shí)間內(nèi)構(gòu)成某放射性物質(zhì)的核素發(fā)生衰變的平均次數(shù)。為了紀(jì)念法國物理學(xué)家安東尼·亨利·貝克勒爾（圖1.5）發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象這一突出貢獻(xiàn)，人們將活度的單位命名為貝克勒爾，簡稱貝克（Bq）,1貝克等于每秒1次衰變?；疃冗€有一個(gè)舊的專用單位叫居里，用Ci表示，1Ci=3.7×1010Bq。

（2）吸收劑量

電離輻射與物質(zhì)的相互作用是一種能量傳遞的過程，其結(jié)果是電離輻射的能量被受到照射的物質(zhì)所吸收。為了紀(jì)念英國物理學(xué)家、放射生物學(xué)之父哈羅德·戈瑞（圖1.6），人們用吸收劑量來度量受到照射物質(zhì)吸收輻射能量的多少，其單位為戈瑞（Gy）,1Gy=1J/kg（焦耳/千克）。

（3）有效劑量

同樣的吸收劑量，如果輻射種類（例如α射線、β射線、γ射線）不同，受照射部位（例如肺、甲狀腺、皮膚）不同，輻射所造成的效應(yīng)就不一樣。就如同用不同大小的刀去砍一棵大樹，拿大刀和小刀，效果是不同的；用相同大小的刀，砍小枝和大枝，效果也是不同的。

人們利用有效劑量來衡量或比較不同射線對(duì)人體不同部位照射后對(duì)人體產(chǎn)生的總體影響大小。為了紀(jì)念瑞典醫(yī)學(xué)物理學(xué)家羅爾夫·希沃特（圖1.7），有效劑量的單位為希沃特（Sv），我們經(jīng)常使用的有效劑量單位是毫希沃特（mSv）, 1Sv=1000mSv。

放射性的發(fā)現(xiàn)

1895年，德國物理學(xué)家倫琴意外地發(fā)現(xiàn)了一件怪事，放在抽屜里、用黑紙包裹得很好的照相膠片總是自動(dòng)感光。經(jīng)過多次反復(fù)研究，終于發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘。這種奇怪的現(xiàn)象原來是由陰極射線管里發(fā)出的一種射線造成的。這種射線穿透能力很強(qiáng)，紙張和木板都擋不住。因?yàn)閷?duì)它的性質(zhì)還不完全了解，倫琴便把它稱為X射線（X射線管結(jié)構(gòu)，如圖1.8所示），俗稱“X光”。倫琴由于該重大發(fā)現(xiàn)還被授予首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

后來，倫琴拿一張用黑紙包好的照相膠片，放在陰極射線管旁邊，然后讓妻子把手放在膠片上，給陰極射線管通了電。不一會(huì)兒膠片沖出來了，倫琴的妻子一看，不禁大吃一驚，這是一張手上的骨骼清晰可見的手掌照相底片。于是，世界上第一張X射線照片誕生了（圖1.9）。

倫琴在巴黎法國科學(xué)院宣讀關(guān)于發(fā)現(xiàn)X射線的報(bào)告時(shí)，眾多聽眾中有一位名叫貝克勒爾的法國物理學(xué)家，他在聽過報(bào)告后，知道了陰極射線管在產(chǎn)生熒光的同時(shí)發(fā)射X射線，于是就反復(fù)思考著一個(gè)問題，即熒光（或磷光）與神奇的X射線間，究竟有什么內(nèi)在的聯(lián)系。

貝克勒爾在自己的實(shí)驗(yàn)室里開始試驗(yàn)熒光物質(zhì)（或磷光）會(huì)不會(huì)輻射出一種看不見卻能穿透厚紙使底片感光的類似X射線的射線。他試來試去，終于找到了一種物質(zhì)具有預(yù)期效果，這種物質(zhì)就是鈾鹽。

貝克勒爾設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他將感光的底片包裹在黑紙中，再將鈾鹽礦石置于黑紙上面，然后把它們一起拿到太陽下暴曬。貝克勒爾對(duì)沖洗出來的底片進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)底片上有許多霧狀細(xì)斑點(diǎn)，這說明鈾鹽礦石所發(fā)出的射線能穿透紙張。貝克勒爾將黑紙換成薄的鋁箔片及銅箔片，發(fā)現(xiàn)也能使底片曝光。

貝克勒爾繼續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生了意想不到的情況，原先計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)因天氣變化而取消了。于是他將底片連同鈾鹽礦石一起放入抽屜中。在沖洗底片時(shí)，貝克勒爾覺得這些底片因?yàn)槠毓鈺r(shí)間不足，底片感光效果必然不好，但是結(jié)果卻恰恰相反，曝光黑影非常清晰。貝克勒爾由此猜測，一定是礦石除了產(chǎn)生可見的磷光外，還能產(chǎn)生一種存在時(shí)間很長、強(qiáng)度遠(yuǎn)超過磷光的未知射線。這種未知射線能使底片在不經(jīng)過太陽暴曬的情況下感光。

為繼續(xù)探求問題真相，貝克勒爾又設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)是將磷光鈾鹽礦石置于完全不透光的黑紙盒中，再將黑紙盒放置于暗室內(nèi)很多天，如圖1.10所示。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽礦石已經(jīng)不發(fā)出X射線，但是具有穿透性的射線依然存在，依舊能使底片感光。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)使得貝克勒爾大為振奮，他嘗試分析其他成分不同的化合物，發(fā)現(xiàn)凡是含有鈾的化合物，不論是磷光還是非磷光體，均會(huì)產(chǎn)生相同的放射現(xiàn)象，而這種來自大自然，不需借助陰極射線管，故貝克勒爾將它稱為“天然射線”。

貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性這一自然現(xiàn)象雖然沒有倫琴發(fā)現(xiàn)X射線那樣轟動(dòng)一時(shí)，但其意義卻更為深遠(yuǎn)，此后的研究使人們認(rèn)識(shí)到：在自然界中，有不穩(wěn)定核素存在，它們的原子核可以自發(fā)衰變，同時(shí)釋放出具有穿透力的射線。這一發(fā)現(xiàn)為后來的核科學(xué)發(fā)展開辟了道路，使人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有了更新的認(rèn)識(shí)，并由此打開了原子核物理學(xué)的大門。

當(dāng)時(shí)在巴黎大學(xué)求學(xué)的一位年輕女學(xué)生對(duì)貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的射線產(chǎn)生了濃厚的興趣，并決定把它作為自己的博士學(xué)位論文題目進(jìn)行研究。她就是出生于波蘭后來加入法國國籍的、歷史上第一位兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的著名科學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家瑪麗·居里。

1898年，居里夫婦（圖1.11）在瀝青鈾礦里提取了一種灰白色的物質(zhì)，它的化學(xué)性質(zhì)和已知化學(xué)元素鉍十分相似。居里夫人為了紀(jì)念自己的祖國波蘭，就把這種新元素命名為“釙”。但隨后他們發(fā)現(xiàn)，釙還不是瀝青鈾礦中強(qiáng)放射性的主要來源。他們在取得了更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，發(fā)表了另一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，即找到了比鈾的放射性比活度強(qiáng)二百多萬倍的“鐳”。

居里夫婦對(duì)放射性元素的發(fā)現(xiàn)和對(duì)新發(fā)現(xiàn)放射性元素卓有成效的研究工作，不但帶來了其他許多重大發(fā)現(xiàn)，而且還開辟了核物理、核化學(xué)研究的新領(lǐng)域。為了表彰他們對(duì)核科學(xué)事業(yè)的偉大貢獻(xiàn)，居里夫婦和貝克勒爾于1903年被一同授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

常見的輻射類型及其貫穿本領(lǐng)

輻射的種類很多，常見的有α射線、β射線、X射線、γ射線和中子輻射等。存在形式可以是粒子，如α射線、β射線和中子等，也可以是電磁波，如X射線、γ射線等。因不同類型的輻射攜帶不同的能量，所以具有不同的貫穿本領(lǐng)（圖1.12）。

α射線是帶電粒子流。α粒子是氦的原子核，由兩個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和兩個(gè)不帶電荷的中子組成。α射線有很強(qiáng)的電離本領(lǐng)，對(duì)人體組織破壞能力較大。然而α射線貫穿本領(lǐng)差，在空氣中的射程只有幾厘米，僅需一張紙或健康的皮膚就能擋住。

β射線是一種高速運(yùn)動(dòng)的電子流。β粒子帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，質(zhì)量輕。β射線電離本領(lǐng)比α射線小得多，但貫穿本領(lǐng)更強(qiáng)。對(duì)于同樣能量的α射線和β射線，如果該α射線的射程是1厘米的話，那么該β射線的射程能夠達(dá)到1000厘米。β射線可以穿透1厘米或2厘米的生物組織，但很容易被鋁箔、有機(jī)玻璃等材料吸收。

X射線和γ射線是光子，不帶電，無靜止質(zhì)量，是波長很短的電磁波，兩者的電離作用較弱，但穿透能力強(qiáng)，只有足夠厚的屏障如鉛板才能阻擋。

中子不帶電，可以通過原子核裂變或核聚變產(chǎn)生，也可以通過人工方法從不穩(wěn)定原子核中釋放。作為宇宙射線的一種成分，中子也可以是天然存在的。因?yàn)橹凶邮请娭行缘?，所以它具有很?qiáng)的貫穿本領(lǐng)。