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) 时到达点，即是铁原子核的总体能量。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 ﹕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。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

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，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。

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