放射性物质基础知识.docx
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放射性物质基础知识
关于放射性物质基础知识（α、β、γ射线）
一、放射性元素
有些元素能够自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线（如α、β、γ射线等），同时释放出能量，最终衰变形成稳定元素，这种性质称为放射性，这类元素称为放射性元素。
在元素周期表上，原子序数大于83的元素都是放射性元素，83以下的元素中只有锝（Tc，原子序数43）和钷（Pm，原子序数61）是放射性元素。
放射性元素可以分为天然放射性元素和人工放射性元素。
天然存在的放射性元素只有钋、氡（气体）、钫、镭、锕、钍、镤和铀，其中铀和钍最为常见；人工放射性元素是通过核反应人工合成的元素，如锝、钷和原子序数大于93的元素，比较出名的就是锝（用于医疗）和钚（用于核工业）。
二、放射性同位素
同位素是同一元素的不同种原子，它们具有相同的质子数，但中子数却不同。
例如原子序数为1的氢就有三种同位素，分别是氕（H）、氘（D）、氚（T），它们的原子内都只有一个质子，但分别有0、1、2个中子。
在自然界，H占氢元素的99.98%，D占0.016%，T主要通过人工合成（自然界里极微量的T是宇宙射线与上层大气间作用，通过核反应生成的）。
这三种同位素里，T具有放射性。
碳（C）在自然界有3种同位素，它们是C-12，C-13，C-14，其中C-14具有放射性（占碳元素的百万分之一），可以用来测文物年代。
钾（K）在自然界也有3种同位素，它们是K-39，K-40，K-41，其中K-40具有放射性（占钾元素的0.01%，它是岩石和土壤中天然放射性本底的重要来源之一。
铀（U）在自然界同样有3种同位素，它们是U-234（0.005%），U-235（0.720%），U-238（99.275%），它们都具有放射性。
同位素分为稳定同位素和放射性同位素，它们按一定的比例在自然界存在。
碳和钾虽然有天然的放射性同位素，但含量极少，所以这两种元素不被认为是放射性元素。
更多的放射性同位素是由人工合成，服务于国防、生产、科研、医疗等领域。
原子弹威力不等同于放射性危害很多人对放射性的过度恐惧来自于原子弹，但放射性危害只是原子弹的第三重影响，原子弹最大的破坏力来自于光热和冲击波，它们是裂变反应（而非放射性）的结果。
当较重的原子核发生裂变时会发生质量亏损，损失的质量按照爱因斯坦的质能方程（E=mc2，能量=质量x光速的平方）转换成了巨大的能量。
例如，1945年在日本广岛上空爆炸的原子弹，裂变反应中仅有1g的质量转化成能量，但它的威力却相当于16万吨黄色炸药发生爆炸，瞬间摧毁了整个城市，并造成十几万人当场死亡。
随之而来的才是漫长的放射性危害，而放射性危害是我们需要深入了解的。
三、三种射线
放射性物质具有α和β衰变形式，分别释放出α射线和β射线，多余的能量通过γ射线释放。
一般放射性物质衰变的时候，α、β、γ三种射线同时产生。
α射线是氦原子核（两个质子，两个中子），带两个正电荷；β射线的是电子，带一个负电荷；γ射线是是光子（电磁波），只是波长更短，能量更高。
三种射线中以α射线的电离能力最强，对人体伤害最大，但其穿透力相当弱，几厘米的空气或纸张就能完全挡住α射线，更不用说穿透皮肤了；β射线电离能力较弱，但具有较好的穿透力，可以被3mm的铝板阻挡；γ射线具有极强的穿透力，超过X射线，可以穿透几厘米厚的铅板，但由于它的电离能力最弱，所以对人体造成的伤害最小。
α和β射线经过几英寸的空气或者普通玻璃就会被阻隔，γ射线穿透力虽强，但对人体的伤害也最小，所以放射性物质在体外对人造成的危害是相当有限的。
但如果放射性物质进入体内，危害就要大得多，这在后文的“内照射”中将作解释。
有一点要记住，α射线的内照射是各种放射性危害中最大的。
四、半衰期
放射性元素的原子在释放α、β、γ射线的同时，会衰变成其它元素，这种衰变有一定的速率。
当原子中有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期。
在自然界，只有4种主要的放射性元素和地球寿命差不多：
铀-238：
半衰期是45亿年
铀-235：
半衰期是7亿年
钍-232：
半衰期140亿年
钾-40：
半衰期12.8亿年
其它天然放射性元素钋、氡（气体）、钫、镭、锕、镤都是铀-238、铀-235、钍-232衰变链中的产物。
很多放射性元素因为半衰期较短，在自然界几乎已无存在其矿物：
例如钚最稳定的同位素钚-244的半衰期是8200万年，对于46亿年的地球历史来说，天然存在的钚早就减半减半再减半了不知多少次了，几乎可以说没有了，更不用说聚集成矿了。
所以，放射性矿物不是含铀就是含钍（钾-40只占钾元素的0.01%，含量太少了）。
通常来说，半衰期越短的放射性核素，其放射性也越强。
钍-232的半衰期是140亿年，放射性是4种主要放射性元素中最弱的。
值得一提的是氡，它是放射性监测的重点对象，因为它是气体，容易通过呼吸道进入人体，形成内照射。
让人高兴的是，氡的半衰期只有4天，不用多久它就可以大部分衰变成稳定元素，而不再具有放射性。
但危险之处也在此，短半衰期意味着它的放射性更强。
利用放射性核素的半衰期，我们可以做很多事情：
例如C-14测年法：
古代生物在活着的时候，不断从环境摄入C-14，机体维持着C-12和C-14的平衡。
当生物体死后，新陈代谢停止，体内的C-14因为衰变而逐渐减少。
由于C-14的半衰期是5730年，可以根据C-14的残留推算出生物的年代。
C-14只能准确测出5-6万年以内的出土文物或化石，对于例如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，利用C-14测年法是无法测定出来的。
在核医学临床应用中使用最广的核素是锝99m，半衰期只有6.02小时，射线能量适中，可利用其杀死癌细胞，但又不至于在体内长留。
五、天然本底辐射
天然放射性元素是构成自然界的组成部分，在各类岩石、土壤、水体、大气、乃至人体中都有不同数量的放射性元素存在。
你知道铀在地球上的含量有多少吗？
平均每吨地壳物质中约含2.5克铀，这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。
铀在各种岩石中的含量很不均匀，例如在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含3.5克铀。
碳和钾是构成人体的必要元素，自然界中含有一定比例的碳-14（百万分之一）和钾-40（0.01%），它们在人体中的比例也一样。
这些天然存在的微量放射性辐射就是天然本底辐射，它已是自然平衡体系的一部分，不会危害人类健康，因为人类和其它生命在进化过程中，已经适应了本底辐射环境。
地球人平均一年累计所受辐射约为2.4mSv（毫希沃特，其中宇宙射线0.4，大地0.5，氡1.2，食物摄入0.3）。
六、人体能承受多大的辐射
我想这是大家最关心的问题：
为何在国外，观众能那么近距离地欣赏放射性矿物？
是他们在拿健康开玩笑，还是我们恐惧过了头？
辐射剂量（mSv）
影响和标准
0.05
核电站工作人员一年累计辐射
0.1-0.3
做一次X射线胸部透视的剂量
0.2
乘飞机从北京到纽约之间往返一次的剂量（宇宙射线、飞行高度有关）
1.0
一般公众一年工作所受人工放射剂量、从事辐射相关工作女性所受人工放射剂量极限
1.2
与1天平均吸1.5盒（30支）纸烟同居的被动吸烟者一年累计辐射
1.5
普通人一年累计所受辐射
2.0
从事辐射相关工作的妇女从被告知怀孕到临产腹部表面所受人工放射剂量极限
2.4
地球人平均一年累计所受辐射（宇宙射线0.4，大地0.5，氡1.2，食物0.3）
4
一次胃部X射线透视的剂量
5
从事辐射相关的工作者一年累计所受辐射法定极限
6.9
1次CT检查
7-20
CT全息摄影
13-60
1天平均吸1.5盒（30支）纸烟者一年累计
50
从事辐射相关工作者一年累计所受辐射极限。
士兵、消防员、警察一年累计所受辐射法定极限
100
对人体健康明显有害的辐射剂量极限从事辐射相关工作者五年累计所受辐射法定极限
250
白血球减少
500
淋巴球减少；国际放射防护委员会规定除人命救援外所能承受的辐射极限。
1,000
出现被辐射症状。
恶心，呕吐；水晶体浑浊
2,000
细胞组织遭破坏，内部出血，脱毛脱发。
死亡率5%
3,000-5,000
死亡率50%（局部被辐射时3000:
脱毛脱发；
4000:
失去生育能力；5,000:
白内障、皮肤出现红斑）
7,000-10,000
死亡率99%
10,001以上
目前通用的辐射剂量是以Sv（希沃特）来表示，考虑到它是相当大的计量单位，日常使用更多的是mSv（毫希沃特）和μSv（微希沃特）：
1mSv=0.001Sv，1μSv=0.001mSv。
那么多少剂量的辐射不会影响人的健康呢？
美国环保署（EPA）发布的人均年吸收辐射上限是1mSv（不包括天然本底辐射和生活中的辐射，如手机、电视等）。
当短时辐射剂量低于100mSv时，医学上观察不到对人体的确定性效应，即明显的组织损伤；当剂量超过4000mSv，在没有医学监护的情况下，有50%的死亡率，而当剂量超过6000mSv时，则可致命。
国际辐射防护委员会规定放射性工作人员全身均匀照射的年剂量应该低于50mSV，普通居民应该低于1mSv。
为防止随机效应，我国放射卫生保护基本标准中规定，放射性工作人员受到全身均匀照射时的年剂量当量不应超过50mSv，公众应该低于5mSv（如果长期持续受到放射性照射，则年剂量不应超过1mSv）。
以上限制都不包括天然本底辐射和医疗照射。
另外，公众成员的皮肤和眼晶体的年剂量当量不应超过50mSv。
对健康产生影响的放射性指标中有短期辐射和长期累积辐射两项，短期辐射的上限是100mSv，长期累积辐射是每年1mSv，偶尔的年份可以达到5mSv。
这就好比温度，人可以承受短时的高温，但长时间（24小时以上）能接受的温度就要低得多得多。
核辐射对人和生物的伤害，与核辐射的剂量、人们暴露于核辐射的时间以及核物质的半衰期有关，虽然严重者可立即致死，但具体而言：
当短时辐射量低于100mSv时，对人体几乎没有危害。
有一个很好的例证：
国外科学家带着橡胶手套直接捧取纯金属钚块，难道他在拿生命开玩笑？
唯一的解释就是短时间钚的体外接触，不足以危害他的健康。
无独有偶，英国女王伊莉莎白二世访问哈维尔核子实验室时，就曾受邀触摸了一块以塑料包裹的钚环，以体验其“温暖”的感觉。
这是一个放射性矿物（各种铀矿）的展示（没有特殊保护措施），实测的最高辐射值为29.9μSv/h，远低于100mSv的短期辐射标准，即使你在这些放射性矿物面前呆一个小时，受到的累积辐射也只有29.9μSv（0.03mSv）。
我见过对一些沥青铀矿（含铀42-76％）的零距离检测，辐射值大概在400μSv/h，由此可以估计一下纯铀的放射水平，你大概就不会对那位科学家的“壮举”感到吃惊了。
在那张图片中，金属钚所释放的α射线和大部分β射线已被阻挡，只能感受到γ射线的温暖感觉了。
别忘了钚的半衰期是8200万年，铀-238是45亿年，它们都是非常缓慢的释放着这些射线，和那些几年、几天乃至几小时就衰变掉的放射性核素的辐射强度相比简直是天壤之别。
不要想当然地以为接触到铀，皮肤就会被灼伤、细胞坏死，这也许是电影或者小说中的情节。
七、内照射
内照射是放射性核素进入生物体（常通过呼吸道和消化道），使生物受到来自内部的射线照射。
对γ射线来说，因其射程长、穿透力强，内照射与外照射并无多大差别；而对于α和β射线，在体外大部分被阻挡，一旦进入体内，将会引起极高能量的局部吸收，导致特异的生物学效应，引起细胞损伤和癌变。
事实上，在体内造成最大伤害的是α射线，因其电离作用最强。
由于放射性核素只有全部从体内排出或全部衰变完后，对机体的照射作用才停止，其有效累积剂量可能大于1.0Sv。
内照射的典型案例就是美国使用贫铀弹而导致战斗和非战斗人员的慢性放射性疾病。
贫铀的主要成分是提炼铀-235后剩下的铀-238，铀-238的放射性较低，释放γ射线的能力较弱，所以不像铀-235那样危险。
但铀-238释放α射线的能力很强，只比铀-235稍弱。
只是α射线的穿透力是最差的，在空气中只能前进几厘米，不能穿透人的皮肤，所以如果是外照射，铀-238的危害不大。
一般情况下，用普通的橡皮手套就可以完全杜绝铀-238的辐射危害。
特殊情况下，短时间用手拿起铀-238也不会造成严重后果。
当然，如果长时间直接接触铀-238，也会损伤人的皮肤。
铀是自然界比重最大的物质，所以贫铀被美国以及北约用于制造威力强大的穿甲弹。
正常状态下未使用的贫铀弹一般是无害的，只要按照正常的保存和运送方法。
但是贫铀弹在被使用后，其严重危害性就会全部暴露出来。
穿甲弹的贫铀弹芯在击中目标后的高温中会剧烈燃烧，同时产生大量烟雾和粉尘，随空气流动而四处飘散，通过呼吸道进入人体内，或者沾染到泥土、水源和植物上。
我们知道，由于有空气、衣物和皮肤的阻隔，贫铀的射线不会从外部对人造成较大危害。
但是如果这些粉尘进入人体就是完全另外一种情况了。
铀-238微粒可以直接作用于脆弱的内脏器官，α射线会近距离地给细胞造成严重危害，导致癌症和其他症状。
由于贫铀粉尘都是从消化道和呼吸道侵入，所以这些部位的器官最容易产生病变，比如鼻癌、肺癌、胃癌等。
如果摄入太多粉尘的话，这些有毒微粒还会通过血液进入肝脏、肾脏和骨骼，导致更严重的伤害。
这些病都是慢性病，病症在5年之内都不会显现。
最新调查表明，伊拉克战后的的癌症死亡率是战前的十倍。
其中受害最重的是儿童，癌症死亡率高达千分之十六。
美国自己也尝到了使用贫铀弹的苦果，所谓的“海湾战争综合症”、“科索沃战争综合症”在一定程度上是由使用贫铀弹引起的。
主要表现为体质下降，心情烦躁、头痛，肌肉关节痛，睡眠障碍等症状。
由此可见，内照射是最严重的放射性危害，尤其是α射线内照射。
放射性物质的体外接触并不可怕，但要严格防范产生内照射的各种隐患：
放射性物质衰变会产生放射性气体氡，它很容易通过呼吸进入体内，造成内照射。
所以放射性物质（包括矿物标本）必须存放在通风良好的环境中。
任何放射性物质的散落，必须处理干净：
未被预警的人们可能会长期和这些散落的放射性物质接触，进而在不知情的状况下让这些物质通过呼吸或消化道进入体内。
接触放射性物质后要洗手，绝对不能在放射性物质附近吃喝东西、抽烟或者睡觉。
八、放射性矿物
天然的放射性矿物其实放射性不是很强，这是因为能形成矿物的放射性核素都具有很长的寿命（半衰期）–比地球的年龄还长或至少可以和地球年龄相比较。
放射性核素的放射性强弱和它的半衰期有非常大的关系，氚的半衰期只有11.2年，具有很强的放射性，但仍然没有放射性药物中使用的核素锝99m强，锝99m的半衰期只有6小时，一个单位的锝99m每秒释放的射线是氚的16,000倍，钚的7,000,000倍（当然锝99m的用量极微，目的是杀死癌细胞，短半衰期是为了不在体内残留放射性）。
自然界没有钚矿，是因为钚的最稳定同位素钚-244半衰期是8200万年（放射性也不是很强）。
但对于地球46亿年的历史来说，天然的钚元素已经减半减半再减半了50多次，所以无法成矿。
在自然界，只有四种主要放射性核素的寿命可以和地球年龄比较，它们是：
铀-238（占铀总量的99%以上，半衰期45亿年）
铀-235（不到铀总量的1%，半衰期7亿年）
钍-232（100%，半衰期140亿年）
钾-40（占钾总量的0.01%，半衰期12.8亿年）。
由于钾-40占钾总量的比例太小，钾元素不被认为是放射性元素。
这就意味着放射性矿物不是含铀就是含钍。
很多稀土矿由于含有痕量的铀或钍（某些稀土元素是铀衰变的产物），也具有少量的放射性。
另外，铀和钍的衰变链中会产生很多短寿命的其它放射性核素（当然放射性也更强），不过这些放射性核素只以痕量存在，而且较短的半衰期使得它们也都无法聚集成矿。
还有两种相对常见的放射性核素：
镭-226和氡-222，它们都是铀衰变的产物。
氡被认为是最危险的放射性物质之一，因为它是气体，很容易被吸入肺部造成内照射。
幸运的是，氡只有4天的半衰期，这样在建筑建造的过程中，天然的氡可以很快衰变为稳定元素，使人们可以放心入住。
但4天的半衰期也意味着氡有非常强的放射性。
另一种有名的放射性核素是碳-14，占碳总量的百万分之一，半衰期是5732年，可用于年代测定。
碳-14的半衰期虽然很短，但宇宙射线与地球大气的核反应仍然源源不断的提供着新的碳-14。
由于它是碳元素，它会很快散布到所有的生命体中。
事实上，我们的身体也是天然的放射源（大部分贡献来自于钾-40，然后是碳-14，最后才是铀及其衰变产物）。
注意我说铀和钍的放射性不是很强并不意味着它们不危险。
放射性物质的危害源于其释放的多种粒子：
β射线（高能电子）、γ射线（高能光子）、中子及α粒子（高能氦核），它们的穿透力也各不相同。
铀和钍的放射性主要是 α射线，在空气中只能前进几厘米，甚至能被纸张阻挡。
将放射性矿物放在玻璃或者塑料盒中可以阻挡99%以上的放射。
α放射源的危险主要来自于吸入其粉尘（或其衰变产生的放射性氡气）。
九、收集放射性矿物的注意事项
只要有适当的保护措施以及预警得当，即使是非专业人士也可以安全地收藏放射性矿物标本。
将放射性矿物置于透明带盖的盒子里，这样可以避免观赏时放射性矿物碎屑的掉落，也减少了皮肤接触，同时阻挡α射线和部分β射线。
放射性矿物可以用手直接接触，但不要时间过长。
接触放射性矿物后，请用肥皂洗手。
勿将放射性矿物放入口袋。
打开放射性矿物的容器时（可能包含放射性气体氡），可以考虑暂时屏住呼吸。
不要去吹放射性矿标的灰尘。
绝不要在放射性矿物周围吃喝东西、抽烟或睡觉。
观赏放射性矿物保持适当距离，因为α和β射线经过几英寸的空气或者普通玻璃就会被阻隔，γ射线穿透力很强，但其衰减和距离也有很大的关系。
不要收藏超过4-5cm的标本，因为辐射的强弱和放射性物质的多少有关。
再小的放射性矿标，也不要将其放在日常活动的房间内（卧室、起居室、书房），因为再弱的放射性，一年的累积剂量也会超出安全标准。
十、对放射性矿标做好记号
注意让小孩和过于好奇的大人远离放射性矿物。
铀和钍衰减过程中会产生放射性的氡气，应将放射性矿物标本放置于通风的地方；如果放于橱内，则应考虑安装一个气泵（水族箱的那种），使橱内的氡气不至于积累到对人造成伤害的程度。
如果你准备收集含铀云母等放射性矿物，那么就去买一个盖革计数器，通过数据了解矿标的放射性强弱—既不用过度防护，也不能忽视潜在的风险。
放射性矿物应集中存放，不能和雄黄、蓝铁矿、日光萤石等受光容易发生变化的矿物放在一起，因为γ射线比紫外光和X射线能量还要高很多，会迅速使这些矿物发生变化。
十一、其它岩石、化石的放射性
有人认为矿物晶体有放射性，所以不如收藏奇石。
事实上，岩石都是由各种矿物组成的，如果矿物有放射性，岩石怎么可能没有呢？
天然放射性元素中，最常见的是铀和钍，铀在地壳中的含量比钨、汞、金、银等元素还高，其中在花岗岩中的含量更高些，有些花岗岩被检测出放射性超标的原因就是含有痕量的铀和钾-40（颜色较浅的花岗石含有更多的钾，也就含有更多的钾-40，所以有人提出要注意哪些浅色的花岗岩石材）。
建筑行业在对石材的检测中提及某些花岗岩和大理石具有“强放射性”，超过标准值的5-6倍。
由于建筑中的石材用量巨大，而且里面的居住和工作的人们和这些石材朝夕相处，极微量的放射性一年累积下来也完全可能超过1mSv的安全指标。
所以必须严格限定，以免对人的健康产生任何潜在的损害。
但这些石材的“强放射性”与放射性矿物的辐射强度比起来是微不足道的，如果不是在建筑上使用，而只是将这些花岗岩或者大理石作为标本或者奇石收藏，完全可以忽略其放射性，因其含有的放射性物质总量太少了。
有些文章随便对矿物冠以“极强的放射性”这种不科学的说法，我觉得有点危言耸听。
也有文章提及某些稀土矿物具有“强放射性”，说法也夸张了。
稀土元素本身没有放射性，若其矿石具有放射性也是因为含有痕量的铀或钍，只是具有微量或者少量放射性而已。
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