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我们能承受多大的核辐射? 精选

已有 22967 次阅读 2011-3-15 08:15 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦|关键词:office,核辐射,style| office, style, 核辐射

 

 

   昨天听Muller教授讲了核电站的反应堆不会像原子弹那样爆炸,但核辐射的危险依然存在。今天我们就接着听M老师讲辐射,还是他给未来总统的讲课。

 

    人们对放射性几乎有着先天的恐惧。放射性不仅是潜藏的威胁,也是潜藏的攻击。基因悄无声息地变异,直到10年或20年后,当癌变最终发生,它才显露出来。

    放射性是原子核的爆炸,最有名的放射性原子有:铀、钚、碳同位素、锶90,还有更新近的210,曾被用来谋害俄罗斯反情报官员利特维连科Alexander Litvinenko)。

  辐射是指核爆炸后飞出的碎片。和手榴弹一样,造成伤害的正是爆炸的碎片。它们就仿佛榴霰弹、弹片和子弹,以巨大的速度飞溅出来,有时甚至接近或等于光速(如伽玛射线,本身就是光子)。这些碎片穿进你的身体,撕裂你的分子。如果足够多的细胞被杀死,你也会很快死去。小一些的伤害也将引发癌变。

 

致癌辐射剂量

 

    我们用单位雷姆rem来度量辐射对人体的伤害剂量。【rem即人体伦琴当量,Röntgen equivalent man‎,这个单位现在被西弗(Sv)取代了:1Sv= 100rem】如果你遭受的全身剂量为100雷姆,可能不会有什么感觉。你的身体会修复大部分伤害,不会让你得病。若遭到200雷姆的打击,你就会生病,那种病叫辐射中毒辐射病。你的头发会脱落,你会感到恶心、疲倦。如果你认识做辐射治疗的人(通常是为了杀死癌细胞),就见过这些症状。恶心的部分原因是,你的生理系统在劳碌地修复辐射的伤害,占用了其他剧烈活动(如消化)的能量。

    当剂量超过200雷姆,你可能会死。超过300雷姆时,你暴露在辐射下的死亡几率将超过50%,除非你得到输血和其他强化治疗。因为这个理由,300雷姆就是半数致死剂量LD50)。暴露在1000雷姆的辐射下,几个小时就会让你失去活动能力。在如此高的辐射水平下,医疗手段可能也无能为力了。

 

    关于这些事实,我们可以记住一句话:几百雷姆真要命

 

    不过,100雷姆以下不会引起任何症状。所以,我们说辐射有“阈值”效应。阈值高是因为你的身体强健。它可以应对部分损伤,甚至能修复其中的大部分而不影响身体的正常功能。低剂量尽管可能最终增大癌变的风险(很多年以后),也不会被人注意;我们等会儿再谈。多数疾病都有阈值效应。如果你的身体能识别某种病毒,并在它繁殖之前将其杀死,你就不会患感冒了。

    认识辐射阈值的存在是非常重要的。假定担心恐怖分子用脏弹(一种放射性武器)来攻击,如果辐射扩散很广,那么它对任何暴露的人的剂量都将减小到阈值以下。这意味着如果它以这种方式扩散,现场就不会死人;实际上可能连病人也没有。有些恐怖分子就因为这一点而对脏弹的想法感到失望。基地组织大概也正因为这个,才要它在美国的特务帕迪拉放弃制造脏弹的请求,转而考虑用天然气炸毁公寓大楼。

 

    有些癌症患者害怕辐射,躲避放射性治疗,那是没道理的。怕辐射的应该是他们的癌细胞。在辐射面前,癌细胞比正常细胞还软弱,大概是因为它们把所有新陈代谢的能量都用来无限繁殖,而无力去修复伤害。也因为这一点,治疗癌症的最有效方法之一就是在患者能承受的范围内尽量多地施以辐射

 

    1雷姆的剂量需要多少辐射呢?我们考虑伽玛射线,这种辐射穿透能力很强,而且也是核武器、辐射尘埃、脏弹和核反应堆事故致死的主要祸根。你可以将伽玛射线看做能量极高的X射线。为得到1雷姆的辐射,你需要将身体暴露在10万亿伽玛射线之下!这个数字确实很大。如果告诉你切尔诺贝利的消防队员经历的伽玛射线比它还多几百倍(大于1015),你大概会更惊讶。难怪他们都得辐射病死了。

 

    我们体内都有碳,就因为它,我们身体大约每分钟经历120 000次核衰变,每次衰变释放高能电子(贝塔射线),损害周围的细胞。但即使这样自我暴露一年,也不到1/1000雷姆。重要的是要认识,即使真正的强辐射会致命,低水平的辐射却是自然环境的一部分除去所有人工核源,美国人每年平均暴露在大约0.2雷姆的自然辐射下。

 

 

辐射与癌症

 

   人在成年后,DNA中的一系列特殊基因会告诉细胞停止分裂,所以不再生长了。只有为着某些特殊的目的,分裂才会重新开始——例如在你需要愈合伤口或更新血液的时候。等这些事情结束了,调节基因又让细胞停止分裂。因为中止细胞扩张那么重要,所以由几个多余的基因来负责。假如你暴露在辐射下而且特别倒霉,那么所有这些调节基因都可能被破坏。如果这样,细胞就会全部开始分裂、增长,但没有什么令它们停下来。经过十次分裂,一个细胞就会变成1000多个。再经过十次分裂,就有了百万细胞。它们再经过十次分裂,细胞就达10亿了。这种指数式的多余细胞的暴涨,就叫癌。

 

  如果基因损坏了,癌也许会很快增长,不过更可能是在几年或几十年之后才开始。那是因为,很多癌在细胞增长完全失控之前需要两个或更多基因突变。假如辐射引发了最终需要的基因突变,完成那致命一击,则癌变会迅速发生。

  现在考虑一个悖论:辐射致癌的剂量已经测定为约2500雷姆,那足以在几个小时内杀死辐射中毒的人。一个人如果遭受了致癌的辐射剂量,在癌变之前就会死去。

    …………如果说致癌剂量那么高,辐射又从何导致癌变呢?悖论的答案在于概率论。在小剂量下(如25雷姆,致癌剂量的1%),人不会得辐射病,因为剂量远低于辐射病的阈值。但即使在那个低剂量下,控制细胞增长的调节基因也会有一定几率被辐射破坏而且不能修复。结果,1%的致癌剂量有1%的几率导致最终的癌变。对更大的剂量,这个几率也成正比地增大。4%的致癌剂量有4%的几率引发癌变。但这比例是有极限的:暴露在100%致癌剂量的辐射下的人不可能得癌症,因为他们在几小时内就死于辐射病了

  这些结论是根据美国国家科学院“电离辐射的生物学效应”报(简称BEIR报告)得到的。但数据还存在很多不确定性。例如,我们不知道200雷姆的致癌几率到底是4%还是12%。这引起人们争论是否该用辐射暴露来计算预期死亡几率。不过,2500雷姆作为1个致癌剂量,已得到了广泛的认同,我们需要记住它。

 

    当然,即使不暴露在人为辐射下,我们也有大约20%的死于癌变的几率。没人知道为什么。20%并不来自任何确证的环境效应。环境放射性还不足以导致这个结果。我们不知道哪些环境污染的效应能累积到20%。这个数从哪儿来?这是一个科学和医学的难题。    著名生物化学家Bruce Ames曾提出,有些癌变可能是长期暴露在氧气的结果,就像脂肪因为氧化而变质腐化一样。如果所有生长调节基因都失效了,那么即使体内只有一个细胞,它也会开始毫无节制的分裂,从而导致癌变。氧是不可或缺的,所以这个理论激发一些人为了减小危害而去消费更多的抗氧化剂。

    重复一下:我们大约20%会死于不明原因的癌症。当放射性引发癌变时,我们把辐射的风险加在那个基数上。放射性引发额外的癌变。假定你暴露在100雷姆的辐射下,那是致癌剂量的4%,因此你死于癌症的几率从“正常的”20%增大到24%。

  

 

切尔诺贝利事件

   

    1986年,乌克兰切尔诺贝利城附近的一座核电站发生了重大事故。反应堆深处的链式反应失控,释放出大量能量,反应堆核心发生爆炸,大量辐射散入大气,大概占反应堆辐射总量的30%或更多。与烈火搏斗的几十名消防队员死于辐射病。

    事故的很多灾难是在最初几个星期内发生的。每个核只能爆炸一次,辐射源就耗尽了。15分钟后,辐射降到初始值的四分之一;一天后,十五分之一;三个月后,不到1%。但直到今天,仍有一些残留下来。多数辐射几乎都随风飘散了,只有近地面的辐射感染到人群。很难估计人群暴露的辐射总量。估计在反应堆附近的大约30 000人平均遭受了45雷姆的辐射,与广岛幸存者的平均辐射量差不多。注意这个平均水平还不足以引发辐射病,但暴露人群增加的癌变几率为45/2500 1.8%。除了6000个正常的自然癌变患者外,这个风险几率可能导致额外500人死于癌症。政府决定把一生可能遭受35雷姆以上的所有区域的人都搬迁出去;到2008年,辐射已经降到每年1雷姆以下,人们原则上可以搬回来了。

  如果把远离事故的世界其他地区(遭受的辐射量很小)也考虑进来,预期的死亡人数还会高很多。即使25 000人平均每人遭受0.1雷姆,也会多出1个死于癌症的人,而实际的数字更令人伤心。

  切尔诺贝利事故造成的额外癌变患者的预期总人数是多少呢?为计算这个数字,我们必须计算每个辐射区的人数,然后将他们的暴露雷姆数加起来。我们假定(根据线性效应),每2500雷姆有一个患者。因为这个数字对世界共同体至关重要,人们投入了大量心血来测量辐射分布。2006年,国际原子能机构(IAEA,隶属联合国)发表了辐射总量分布的最好估计:大约1000万雷姆。那意味着切尔诺贝利事故导致的额外癌症死亡总数将达到10 000 000除以2500,即4000。这个数字远远超过了邻近区域的预期数500

    令很多人惊奇的是,即使这个计算正确,预期的癌变患者数也准确,仍然难以确定哪些人死于切尔诺贝利事故。很难从几百万人中找出那4000个额外的死于癌症的人,因为其他原因的癌变也非常普遍。某些类型的癌症可以归结到这次事故。许多辐射是以放射性碘的形式释放的,它们集中在甲状腺,诱发甲状腺肿瘤。甲状腺肿瘤很少见,所以切尔诺贝利地区附近发现的十几例甲状腺肿瘤几乎肯定可以归因于那次事故。甲状腺肿瘤是可以治疗的,虽然有三个切尔诺贝利的患者死了。除此而外,跟广岛和长崎幸存者的癌症情形一样,几乎不可能认定任何一个死于癌症的病人,将其原因归结为切尔诺贝利释放的辐射引起的病变。

    切尔诺贝利地区还有几种疾病比辐射诱发的癌症更糟糕,因为它们会导致更多人死亡。其中两种就是因为吸烟和酗酒产生的癌症和心脏病。如果说搬迁会给当地居民带来压力,从而加剧物质滥用,但这可能变成事故的更大的健康效应。

  

放射性会传染吗?

 

    假如你暴露在某种具有放射性的东西面前,你自己会变得更有放射性吗?你会像患感冒一样被它“传染”吗?答案是否定的,放射性不会传染——至少大多数放射性在大多数时间不会那样。记住,放射性是原子核的爆炸,这种爆炸损害你的DNA,但不会将其他原子转化为放射性原子。

 

  即使被某些放射性物质击中了,你也不会真的产生放射性,而只是被放射性尘埃污染了。如果原子弹爆炸的尘埃落到你身上,或者你在参观核反应堆内部时接触了放射性尘埃,就可能发生这样的事情。

  有一个例外——那种辐射能使你染上放射性:中子。有些形式的放射性爆炸释放中子,当它们打中你的身体时,可以附着在你的原子核上,从而使那些原子具有放射性。在现实中,只有在大量中子的情况下才会发生这种事情,而你可能会死于辐射病。暴露在强中子下的物体会出现放射性,那主要发生在核反应堆和核弹中。

    中子弹其实就是为了尽量减小被炸城市产生的放射性而设计的。与更原始的核弹产生的典型放射性尘埃扩散比起来,中子弹导致的放射性其实非常小。

 

    我们有时候用放射性来杀灭食物里的细菌、病毒或昆虫。食物不会因此而变得有放射性。然而,假如辐射很强,的确会破坏食物里的某些分子,所以有时会改变食物的味道。如果强辐射过量了,也会生成不健康的化合物其实所有防腐剂和杀虫剂都存在这种情况。辐射消毒已经过了多年研究,联合国卫生组织认定它是安全的,美国食品与药物管理局、美国农业部也都是同样的结论。我们不但要应对辐射的事实,还要应对辐射的错误观念引发的恐惧。

 

 

 

 

 

 



解析日本大地震
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