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生活中的核辐射 精选

已有 11779 次阅读 2011-3-16 08:29 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦|关键词:核辐射| 核辐射

 
    日本的核辐射危机还没解除,我们接着听Muller教授给未来总统的物理课。
 
     辐射会消失,不过要等很长时间。有的危险辐射,例如碘131的辐射,只持续几个星期。钚令人色变,因为它的辐射能持续24 000年,而钾40——在血液和肉类(特别是香蕉)中发现的一种重要放射性原子——会持续10亿年!我们是该怕寿命长的原子还是怕短的呢?
    问题很复杂,但也不算太复杂。一个原子核只能爆炸一次,然后就消失了。那意味着任何包含放射性的东西最终都会失去放射性。随着原子的消耗,残余的可以爆炸的核的数量也在减少。放射性在消失,它随时间衰减。正因为这个,人们常称放射性爆炸为放射性衰变
    放射性物质的半衰期是辐射降低到初始水平的一半所需要的时间。下面列举了一些有关决策问题的原子的半衰期:
 
钋(Po2150.0018        锶(Sr9030
钋(Po2160.16          铯(Cs13730
铋(Bi2121小时           镭(Ra2261620
钠(Na2415小时          碳(C145730
碘(I1318              钚(Pu23924 000
磷(P322               氯(Cl36400 000
铁(Fe591.5             铀(U2357.1亿年
钋(Po2103             钾(K4013亿年
钴(Co605              铀(U23845亿年
氚(H3):12
 
    碘131的半衰期是8天,但它的辐射会持续几个星期,这很容易理解,因为“半衰”不等于消失。经过半衰期8天后,辐射消失了一半。你可能以为经过两个半衰期,所有辐射都将消失,那是不对的。放射性是一种概率现象,残余的尚未衰变的核与原先的一样。即使它们开始第二个半衰期,在那个期间也可能只有50%的几率衰变。经过第二个半衰期后,初始原子的25%会消失。再经过一个半衰期,它们的一半也将消失,原子数量减小到原先的12.5%。因为只有12.5%的放射性原子留下来,辐射也降到原先水平的12.5%。然后是6.25%,如此下去。经过10个半衰期(80天)后,残余的量减小到千分之一,这是1/2自乘10次的结果。再经过10个半衰期(共20个半衰期),残余量就只有原先的百万分之一。
     这里的关键是,经过一个半衰期后,辐射的危险降低1/2,但它还能延续很多个半衰期。只要还有最后一个原子没爆炸,放射性就不可能完全消失。但减小10亿倍(经过30个半衰期)后,大多数辐射都不可能探测,通常也就没有危害了。
     让我们再回来看看碘。它之所以那么危险,部分原因是它衰变太快,在很短时间内向受害者发出很大的剂量。碘聚集在甲状腺,其辐射诱发甲状腺肿瘤。如果你害怕近距离暴露在碘的辐射下,可以多吃碘片(无放射性的碘)。你的甲状腺碘饱和了,有足够的无害碘供给,就不会再吸收更多的碘。所以要服用碘片,把放射性碘赶出你的甲状腺。你只需要坚持服用几个星期,因为大部分放射性碘都将在那段时间里衰变、消失。
    有人误以为碘片还能抵御来自核反应堆的废料。其实没用,因为核废料的放射性并不来自碘。如果废料堆几个月,那么所有放射性碘都已经衰变了。核废料的危险来自半衰期更长的原子。我们还是回到原先的问题。哪种半衰期的危险性最大,长的还是短的?结果发现,两者都不是。
 
长短半衰期的危险性比较
 
     在一次核事故中,最危险的物质通常不是半衰期很短或很长的,而是半衰期不长不短的。那是因为,半衰期短的原子很快就消失,而半衰期长的原子需要漫长时间衰变,每秒钟的衰变很少。例如,在核爆炸尘埃中,可能导致最大杀伤的物质是锶90,半衰期为30年。锶的危险在于,它的半衰期足够短(30年而不是1000年),在人的一生中可以发出大量辐射;同时又足够长(30年而不是8天),我们很难等着它完全自然消失。
     210半衰期为100天,曾被人选做谋杀的材料。为什么选它呢?杀手需要它在释放之前保持威力。假如半衰期为一个星期,他可能觉得太快。他又不想半衰期太长,那样的话,被害者也许不会很快因为大剂量死去。所以,谋杀者大概觉得100天的半衰期是最佳选择。
    核反应堆的钚239的半衰期为24 000年,在相同质量的情况下,这么长的半衰期不像锶90那么危险。然而,对核废料储藏特别是核反应堆来说,它是一道难题,因为衰变的时间太长了。
     氚(氢的放射性同位素)用来造手表的夜光管,半衰期为12年。这意味着12年后你的手表就只有现在的一半亮光。24年后,就要换新的了。我不担心手表的辐射,因为氚发出的电子没有足够的能量脱离表壳。我们不仅要看每秒发生的衰变数,还要看它们是否能进入身体并造成破坏。不过,要小心镭表,它们的伽玛射线很容易跑出表壳。
    现在考虑长半衰期的铀23845亿年。我们相信所有铀都是在一次超新星爆炸中生成的,那次爆炸最终导致地球在45亿年前的形成。现在还剩下一半的铀,因为它正好是在一个半衰期前生成的。用于制造原子弹的铀235的半衰期要短一些,大约7亿年。如果它是同时生成的,那么已经过了6个半衰期,只剩原来的1/64。实际上,现存铀235的总量比那个值略低,说明它在生成时不如铀238丰富
  
    人体内最大的辐射源之一是碳14,有时也称放射性碳(radiocarbon)。我们从食物摄取碳14,其半衰期为5730年。在一般人的体内,每分钟发生120 000次碳14核衰变。每次衰变发出贝塔射线(高能电子),损害周围的细胞。我们与这些体内放射性共存,它是每个生物的一部分。它是自然的,有机的,但和人为辐射一样有害。
    当人死了,不再吃食物,碳14衰变了就不会有更新。如果考古学家发现一块化石,测量其放射性是生物的一半,那么他就知道那个生物是在一个半衰期前死亡的——也就是5730年前。这种方法是考古学中测定年龄的基本方法。如果放射性只有自然水平的四分之一,那么化石就有2个半衰期那么老。碳14可以用来测10个半衰期左右的年龄——大约57 300年。
     在美国,饮用酒必须用水果、谷物或其他植物酿造,用石油做是非法的。任何通过植物原料发酵生产的酒都含有新的放射性碳14。相反,石油是3亿年前埋藏在地下的腐烂植物生成的。那意味着石油是50 000多个碳14半衰期之前就死亡了的生物形成的,因而不会包含可测的放射性碳14。这就为美国政府检验是否用石油造酒提供了一个简单的方法。美国酒精烟草火器与炸药管理局就检验酒精饮料里的碳14,如果存在预期水平的辐射,则饮料通过检验。如果酒精没有放射性,检验人员就知道它不是用谷物或水果造的,因而肯定不适合饮用。
     同样的原因,生物燃料——由棉花、蔗糖或其他农作物制造——也有放射性,而化石燃料没有。化石中的碳14的天然放射性早就消失了。生物燃料的放射性非常微弱,不会产生任何危害,但也提供了一个简易的方法,测试它是否真的是用农作物生产的。
 
环境放射性
 
    为了确定人体所能容许的辐射水平,我们需要知道寻常暴露的环境放射性。不仅你有放射性,你周围的世界也有。我们遭遇的多数辐射来自自然资源:岩石和土壤里的钾,空气中的放射性碳,自然状态下的铀和钍。放射性氡气从地球内部渗漏出来。另外,我们还遭遇很多来自太空的辐射——来自遥远的爆炸恒星(叫超新星)的宇宙线。一个人每年大概都暴露在0.2雷姆的这种辐射下,那比你从自己体内摄取的辐射剂量大得多。
    这一自然辐射剂量当然会诱发某些癌变。经过50年,你每年暴露的0.2雷姆将累积到10雷姆。根据线性效应假说,由这一辐射导致的预期癌变率为10/2500 = 0.04 = 0.4%。这比20%的观测值小得多,所以我们可以断言,自然癌变不是源于环境辐射。
    放射性的安全水平是多少呢?如果线性假说成立,那么即使很低的剂量也会增大癌变风险。如果假说错了,那么低于6雷姆的辐射就是完全安全的。例如,在美国丹佛,因为天然氡的存在,生活在那儿的人每年暴露的辐射比纽约高0.1雷姆。对那儿生活50年的240万人来说,这个额外的辐射总量为0.1 ´ 2 400 000 ´ 50 = 12 000 000,即1200万雷姆,足以导致额外的4800例癌变。这比切尔诺贝利核事故产生的预期癌变人数高得多。但事实证明,尽管有辐射,丹佛的癌变死亡人数低于美国其他地方。
   
可怕的变异
 
    辐射不仅引发疾病和癌症,还做其他坏事。早期实验表明,高强度的辐射可以在昆虫中引发可怕的变异。这一发现激发了一批恐怖电影。我特别记忆犹新的是《它们》(1954年)中的大如火车的蚂蚁,《深海怪兽》(1953)和《哥斯拉》(1954)中的巨型爬行动物。在原来的喜剧中,蜘蛛人被一只放射性蜘蛛咬了,产生了变异,而在最近的电影中,化身取代了遗传工程的蜘蛛。这些变异真的危险吗?
    在高级动物(哺乳动物、蜥蜴和鱼等)身上,没有发现类似的变异。根据2006年国家科学院报告,广岛和长崎的儿童受害者没表现明显增加的生长缺陷。但在公众想象里变异太多了。
     我们没有在高等动物身上发现惊悚片里的变异,这个事实并不意味着有害的变异不会发生。胎儿特别脆弱,联合国原子辐射科学委员会(UNSCEAR)研究了这一危险(UNSCEAR的报告见www.unscear.org/docs/reports/annexj.pdf )。报告认为,每一雷姆的暴露下,胎儿的风险大约是3%,是暴露在1雷姆下的成人风险的75倍。所以我们忠告孕妇要避免辐射。某个干细胞(能转变成其他细胞的细胞)的变异可以引发智力迟钝、畸形生长或癌症,但结果通常是自然流产。
    2003年出品的一部题为《切尔诺贝利之心》的纪录片,将切尔诺贝利地区的大量出生缺陷归咎于那次事件的辐射。大多数专家认为这部影片没有准确反映事情的真相,因为其他同样的暴露(如广岛和长崎)并未引发类似的问题。举例来说,影片里表现的那些病,很可能一直就在当地流行——也许因为那儿的人都爱抽烟喝酒,但只是在当地因为切尔诺贝利事故而受到医学重视时,才向外界报道出来。因为电影不是科学研究,制片人没有义务呈现不同的解释。
 
X射线与微波
 
    X射线是我们熟悉的一种辐射。有人因为害怕辐射而拒绝给牙照X光,你可以问任何一个牙医看看。假如你同意照X光,卫生人员会给你戴上铅围裙,将X光机靠近你的头,离开房间。你会听到短暂的嗡嗡声,然后看见卫生人员回来。
    尽管看起来煞有介事,给牙照X光却令人惊讶地安全。这些过程会让某些病人感觉更舒坦,但也会吓坏另一些人。辐射剂量很小,小于1/1000雷姆,不如你在自然辐射下生活两天摄取的量。孕妇是不是应该避免这种X光呢?毕竟腹中的胎儿太脆弱了,照X光显然不是一件安全的事情。但铅毯可以保护胎儿。通过照X光获取的知识也许还能克服一系列牙问题,而它们在原则上会对未出生的胎儿产生更大的危害。
      部分X光恐惧来自历史经验。过去的辐射剂量较大。小时候我住在纽约南布朗克斯区,曾在一家鞋店,在图9.2那样的荧光镜下给脚照过X光。我双脚接收的辐射大约是50雷姆,是我今天照牙X光的50 000倍。假如线性假说是对的,那么我仅仅光顾一次鞋店,癌变的几率就从正常的20%增大到了20.1%。科学家在那时就警告要小心癌变的危险,但很多官员迟迟不关闭那些机器,因为公众太喜欢它们了。我甚至觉得不该把我在那家鞋店的事情讲出来。我发现这次经历很有意思,是我儿时记忆中最生动的事情之一。也许因为看见我的脚趾头不停扭动,清楚看见鞋子里的一颗颗小钉子,这些离奇的画面激发了我成为一名物理学家。
    X光其实是一种高能光子,其携带的能量比普通光高25 000倍。X光可以轻易穿透水和碳,就像可见光穿过玻璃一样,但它们会很快被重元素(如钙和铅)等阻挡。X光照片其实就是牙或骨头投射在胶片上的影像图。钙缺失的地方(例如牙溃烂或骨折的地方)允许更多X光通过,因而使胶片暗淡。在牙医的毯子里有一层厚厚的铅,可以保护你的身体(就像铅板抵挡超人的X光视线的透视)。
    很多人还担心手机的微波辐射。微波与X射线不同,X射线是高能的光子,而微波是能量极低的光子。它们以热量的形式存储能量,那也是它们在微波炉的作用。它们不会粉碎体内的DNA分子(除非它们真的燃烧并把物质烧焦),因而不会像X光和其他高能辐射(甚至阳光)那样引发癌变风险。主要危险在于热。人们对微波的恐惧,无疑主要来自它们与其他更危险形式的辐射(如伽玛辐射)享有共同的名字。有些人将这种恐惧转移到手机辐射,根源不在物理学,而在语言学。
 
 
 


解析日本大地震
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