李泳的博客之三——生活中的核輻射

      日本的核輻射危機(jī)還沒(méi)解除，我們接著聽(tīng)Muller教授給未來(lái)總統(tǒng)的物理課。
      輻射會(huì)消失，不過(guò)要等很長(zhǎng)時(shí)間。有的危險(xiǎn)輻射，例如碘131的輻射，只持續(xù)幾個(gè)星期。钚令人色變，因?yàn)樗妮椛淠艹掷m(xù)24 000年，而鉀40——在血液和肉類(lèi)（特別是香蕉）中發(fā)現(xiàn)的一種重要放射性原子——會(huì)持續(xù)10億年！我們是該怕壽命長(zhǎng)的原子還是怕短的呢？
    問(wèn)題很復(fù)雜，但也不算太復(fù)雜。一個(gè)原子核只能爆炸一次，然后就消失了。那意味著任何包含放射性的東西最終都會(huì)失去放射性。隨著原子的消耗，殘余的可以爆炸的核的數(shù)量也在減少。放射性在消失，它隨時(shí)間衰減。正因?yàn)檫@個(gè)，人們常稱(chēng)放射性爆炸為放射性衰變。
    放射性物質(zhì)的半衰期是輻射降低到初始水平的一半所需要的時(shí)間。下面列舉了一些有關(guān)決策問(wèn)題的原子的半衰期：

釙（Po）215：0.0018秒       鍶（Sr）90：30年           釙（Po）216：0.16秒      銫（Cs）137：30年
鉍（Bi）212：1小時(shí)            鐳（Ra）226：1620年    鈉（Na）24：15小時(shí)       碳（C）14：5730年
碘（I）131：8天                  钚（Pu）239：24 000年  磷（P）32：2周               氯（Cl）36：400 000年
鐵（Fe）59：1.5月              鈾（U）235：7.1億年      釙（Po）210：3月           鉀（K）40：13億年
鈷（Co）60：5年                鈾（U）238：45億年        氚（H3）：12年

    碘131的半衰期是8天，但它的輻射會(huì)持續(xù)幾個(gè)星期，這很容易理解，因?yàn)椤鞍胨ァ辈坏扔?/font>消失。經(jīng)過(guò)半衰期8天后，輻射消失了一半。你可能以為經(jīng)過(guò)兩個(gè)半衰期，所有輻射都將消失，那是不對(duì)的。放射性是一種概率現(xiàn)象，殘余的尚未衰變的核與原先的一樣。即使它們開(kāi)始第二個(gè)半衰期，在那個(gè)期間也可能只有50％的幾率衰變。經(jīng)過(guò)第二個(gè)半衰期后，初始原子的25％會(huì)消失。再經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期，它們的一半也將消失，原子數(shù)量減小到原先的12.5％。因?yàn)橹挥?font face="Times New Roman">12.5％的放射性原子留下來(lái)，輻射也降到原先水平的12.5％。然后是6.25％，如此下去。經(jīng)過(guò)10個(gè)半衰期（80天）后，殘余的量減小到千分之一，這是1/2自乘10次的結(jié)果。再經(jīng)過(guò)10個(gè)半衰期（共20個(gè)半衰期），殘余量就只有原先的百萬(wàn)分之一。
     這里的關(guān)鍵是，經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期后，輻射的危險(xiǎn)降低1/2，但它還能延續(xù)很多個(gè)半衰期。只要還有最后一個(gè)原子沒(méi)爆炸，放射性就不可能完全消失。但減小10億倍（經(jīng)過(guò)30個(gè)半衰期）后，大多數(shù)輻射都不可能探測(cè)，通常也就沒(méi)有危害了。
     讓我們?cè)倩貋?lái)看看碘。它之所以那么危險(xiǎn)，部分原因是它衰變太快，在很短時(shí)間內(nèi)向受害者發(fā)出很大的劑量。碘聚集在甲狀腺，其輻射誘發(fā)甲狀腺腫瘤。如果你害怕近距離暴露在碘的輻射下，可以多吃碘片（無(wú)放射性的碘）。你的甲狀腺碘飽和了，有足夠的無(wú)害碘供給，就不會(huì)再吸收更多的碘。所以要服用碘片，把放射性碘趕出你的甲狀腺。你只需要堅(jiān)持服用幾個(gè)星期，因?yàn)榇蟛糠址派湫缘舛紝⒃谀嵌螘r(shí)間里衰變、消失。
    有人誤以為碘片還能抵御來(lái)自核反應(yīng)堆的廢料。其實(shí)沒(méi)用，因?yàn)楹藦U料的放射性并不來(lái)自碘。如果廢料堆幾個(gè)月，那么所有放射性碘都已經(jīng)衰變了。核廢料的危險(xiǎn)來(lái)自半衰期更長(zhǎng)的原子。我們還是回到原先的問(wèn)題。哪種半衰期的危險(xiǎn)性最大，長(zhǎng)的還是短的？結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者都不是。

長(zhǎng)短半衰期的危險(xiǎn)性比較

     在一次核事故中，最危險(xiǎn)的物質(zhì)通常不是半衰期很短或很長(zhǎng)的，而是半衰期不長(zhǎng)不短的。那是因?yàn)?，半衰期短的原子很快就消失，而半衰期長(zhǎng)的原子需要漫長(zhǎng)時(shí)間衰變，每秒鐘的衰變很少。例如，在核爆炸塵埃中，可能導(dǎo)致最大殺傷的物質(zhì)是鍶90，半衰期為30年。鍶的危險(xiǎn)在于，它的半衰期足夠短（30年而不是1000年），在人的一生中可以發(fā)出大量輻射；同時(shí)又足夠長(zhǎng)（30年而不是8天），我們很難等著它完全自然消失。
     釙210半衰期為100天，曾被人選做謀殺的材料。為什么選它呢？殺手需要它在釋放之前保持威力。假如半衰期為一個(gè)星期，他可能覺(jué)得太快。他又不想半衰期太長(zhǎng)，那樣的話(huà)，被害者也許不會(huì)很快因?yàn)榇髣┝克廊?。所以，謀殺者大概覺(jué)得100天的半衰期是最佳選擇。
    核反應(yīng)堆的钚239的半衰期為24 000年，在相同質(zhì)量的情況下，這么長(zhǎng)的半衰期不像鍶90那么危險(xiǎn)。然而，對(duì)核廢料儲(chǔ)藏特別是核反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，它是一道難題，因?yàn)樗プ兊臅r(shí)間太長(zhǎng)了。
    氚（氫的放射性同位素）用來(lái)造手表的夜光管，半衰期為12年。這意味著12年后你的手表就只有現(xiàn)在的一半亮光。24年后，就要換新的了。我不擔(dān)心手表的輻射，因?yàn)殡鞍l(fā)出的電子沒(méi)有足夠的能量脫離表殼。我們不僅要看每秒發(fā)生的衰變數(shù)，還要看它們是否能進(jìn)入身體并造成破壞。不過(guò)，要小心鐳表，它們的伽瑪射線(xiàn)很容易跑出表殼。
    現(xiàn)在考慮長(zhǎng)半衰期的鈾238：45億年。我們相信所有鈾都是在一次超新星爆炸中生成的，那次爆炸最終導(dǎo)致地球在45億年前的形成?，F(xiàn)在還剩下一半的鈾，因?yàn)樗檬窃谝粋€(gè)半衰期前生成的。用于制造原子彈的鈾235的半衰期要短一些，大約7億年。如果它是同時(shí)生成的，那么已經(jīng)過(guò)了6個(gè)半衰期，只剩原來(lái)的1/64。實(shí)際上，現(xiàn)存鈾235的總量比那個(gè)值略低，說(shuō)明它在生成時(shí)不如鈾238豐富。
   
    人體內(nèi)最大的輻射源之一是碳14，有時(shí)也稱(chēng)放射性碳（radiocarbon）。我們從食物攝取碳14，其半衰期為5730年。在一般人的體內(nèi)，每分鐘發(fā)生120 000次碳14核衰變。每次衰變發(fā)出貝塔射線(xiàn)（高能電子），損害周?chē)募?xì)胞。我們與這些體內(nèi)放射性共存，它是每個(gè)生物的一部分。它是自然的，有機(jī)的，但和人為輻射一樣有害。
    當(dāng)人死了，不再吃食物，碳14衰變了就不會(huì)有更新。如果考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)一塊化石，測(cè)量其放射性是生物的一半，那么他就知道那個(gè)生物是在一個(gè)半衰期前死亡的——也就是5730年前。這種方法是考古學(xué)中測(cè)定年齡的基本方法。如果放射性只有自然水平的四分之一，那么化石就有2個(gè)半衰期那么老。碳14可以用來(lái)測(cè)10個(gè)半衰期左右的年齡——大約57 300年。
     在美國(guó)，飲用酒必須用水果、谷物或其他植物釀造，用石油做是非法的。任何通過(guò)植物原料發(fā)酵生產(chǎn)的酒都含有新的放射性碳14。相反，石油是3億年前埋藏在地下的腐爛植物生成的。那意味著石油是50 000多個(gè)碳14半衰期之前就死亡了的生物形成的，因而不會(huì)包含可測(cè)的放射性碳14。這就為美國(guó)政府檢驗(yàn)是否用石油造酒提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。美國(guó)酒精煙草火器與炸藥管理局就檢驗(yàn)酒精飲料里的碳14，如果存在預(yù)期水平的輻射，則飲料通過(guò)檢驗(yàn)。如果酒精沒(méi)有放射性，檢驗(yàn)人員就知道它不是用谷物或水果造的，因而肯定不適合飲用。
     同樣的原因，生物燃料——由棉花、蔗糖或其他農(nóng)作物制造——也有放射性，而化石燃料沒(méi)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，不會(huì)產(chǎn)生任何危害，但也提供了一個(gè)簡(jiǎn)易的方法，測(cè)試它是否真的是用農(nóng)作物生產(chǎn)的。

環(huán)境放射性

    為了確定人體所能容許的輻射水平，我們需要知道尋常暴露的環(huán)境放射性。不僅你有放射性，你周?chē)氖澜缫灿?。我們?cè)庥龅亩鄶?shù)輻射來(lái)自自然資源：巖石和土壤里的鉀，空氣中的放射性碳，自然狀態(tài)下的鈾和釷。放射性氡氣從地球內(nèi)部滲漏出來(lái)。另外，我們還遭遇很多來(lái)自太空的輻射——來(lái)自遙遠(yuǎn)的爆炸恒星（叫超新星）的宇宙線(xiàn)。一個(gè)人每年大概都暴露在0.2雷姆的這種輻射下，那比你從自己體內(nèi)攝取的輻射劑量大得多。
    這一自然輻射劑量當(dāng)然會(huì)誘發(fā)某些癌變。經(jīng)過(guò)50年，你每年暴露的0.2雷姆將累積到10雷姆。根據(jù)線(xiàn)性效應(yīng)假說(shuō)，由這一輻射導(dǎo)致的預(yù)期癌變率為10/2500 = 0.04 = 0.4%。這比20%的觀測(cè)值小得多，所以我們可以斷言，自然癌變不是源于環(huán)境輻射。
    放射性的安全水平是多少呢？如果線(xiàn)性假說(shuō)成立，那么即使很低的劑量也會(huì)增大癌變風(fēng)險(xiǎn)。如果假說(shuō)錯(cuò)了，那么低于6雷姆的輻射就是完全安全的。例如，在美國(guó)丹佛，因?yàn)樘烊浑钡拇嬖冢钤谀莾旱娜嗣磕瓯┞兜妮椛浔燃~約高0.1雷姆。對(duì)那兒生活50年的240萬(wàn)人來(lái)說(shuō)，這個(gè)額外的輻射總量為0.1 ? 2 400 000 ? 50 = 12 000 000，即1200萬(wàn)雷姆，足以導(dǎo)致額外的4800例癌變。這比切爾諾貝利核事故產(chǎn)生的預(yù)期癌變?nèi)藬?shù)高得多。但事實(shí)證明，盡管有輻射，丹佛的癌變死亡人數(shù)低于美國(guó)其他地方。
   
可怕的變異

    輻射不僅引發(fā)疾病和癌癥，還做其他壞事。早期實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)度的輻射可以在昆蟲(chóng)中引發(fā)可怕的變異。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了一批恐怖電影。我特別記憶猶新的是《它們》（1954年）中的大如火車(chē)的螞蟻，《深海怪獸》（1953）和《哥斯拉》（1954）中的巨型爬行動(dòng)物。在原來(lái)的喜劇中，蜘蛛人被一只放射性蜘蛛咬了，產(chǎn)生了變異，而在最近的電影中，化身取代了遺傳工程的蜘蛛。這些變異真的危險(xiǎn)嗎？
    在高級(jí)動(dòng)物（哺乳動(dòng)物、蜥蜴和魚(yú)等）身上，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的變異。根據(jù)2006年國(guó)家科學(xué)院報(bào)告，廣島和長(zhǎng)崎的兒童受害者沒(méi)表現(xiàn)明顯增加的生長(zhǎng)缺陷。但在公眾想象里變異太多了。
     我們沒(méi)有在高等動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)驚悚片里的變異，這個(gè)事實(shí)并不意味著有害的變異不會(huì)發(fā)生。胎兒特別脆弱，聯(lián)合國(guó)原子輻射科學(xué)委員會(huì)（UNSCEAR）研究了這一危險(xiǎn)（UNSCEAR的報(bào)告見(jiàn)www.unscear.org/docs/reports/annexj.pdf ）。報(bào)告認(rèn)為，每一雷姆的暴露下，胎兒的風(fēng)險(xiǎn)大約是3%，是暴露在1雷姆下的成人風(fēng)險(xiǎn)的75倍。所以我們忠告孕婦要避免輻射。某個(gè)干細(xì)胞（能轉(zhuǎn)變成其他細(xì)胞的細(xì)胞）的變異可以引發(fā)智力遲鈍、畸形生長(zhǎng)或癌癥，但結(jié)果通常是自然流產(chǎn)。
    2003年出品的一部題為《切爾諾貝利之心》的紀(jì)錄片，將切爾諾貝利地區(qū)的大量出生缺陷歸咎于那次事件的輻射。大多數(shù)專(zhuān)家認(rèn)為這部影片沒(méi)有準(zhǔn)確反映事情的真相，因?yàn)槠渌瑯拥谋┞叮ㄈ鐝V島和長(zhǎng)崎）并未引發(fā)類(lèi)似的問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，影片里表現(xiàn)的那些病，很可能一直就在當(dāng)?shù)亓餍小苍S因?yàn)槟莾旱娜硕紣?ài)抽煙喝酒，但只是在當(dāng)?shù)匾驗(yàn)榍袪栔Z貝利事故而受到醫(yī)學(xué)重視時(shí)，才向外界報(bào)道出來(lái)。因?yàn)殡娪安皇强茖W(xué)研究，制片人沒(méi)有義務(wù)呈現(xiàn)不同的解釋。

X射線(xiàn)與微波

    X射線(xiàn)是我們熟悉的一種輻射。有人因?yàn)楹ε螺椛涠芙^給牙照X光，你可以問(wèn)任何一個(gè)牙醫(yī)看看。假如你同意照X光，衛(wèi)生人員會(huì)給你戴上鉛圍裙，將X光機(jī)靠近你的頭，離開(kāi)房間。你會(huì)聽(tīng)到短暫的嗡嗡聲，然后看見(jiàn)衛(wèi)生人員回來(lái)。
    盡管看起來(lái)煞有介事，給牙照X光卻令人驚訝地安全。這些過(guò)程會(huì)讓某些病人感覺(jué)更舒坦，但也會(huì)嚇壞另一些人。輻射劑量很小，小于1/1000雷姆，不如你在自然輻射下生活兩天攝取的量。孕婦是不是應(yīng)該避免這種X光呢？畢竟腹中的胎兒太脆弱了，照X光顯然不是一件安全的事情。但鉛毯可以保護(hù)胎兒。通過(guò)照X光獲取的知識(shí)也許還能克服一系列牙問(wèn)題，而它們?cè)谠瓌t上會(huì)對(duì)未出生的胎兒產(chǎn)生更大的危害。
      部分X光恐懼來(lái)自歷史經(jīng)驗(yàn)。過(guò)去的輻射劑量較大。小時(shí)候我住在紐約南布朗克斯區(qū)，曾在一家鞋店，在圖9.2那樣的熒光鏡下給腳照過(guò)X光。我雙腳接收的輻射大約是50雷姆，是我今天照牙X光的50 000倍。假如線(xiàn)性假說(shuō)是對(duì)的，那么我僅僅光顧一次鞋店，癌變的幾率就從正常的20％增大到了20.1％?？茖W(xué)家在那時(shí)就警告要小心癌變的危險(xiǎn)，但很多官員遲遲不關(guān)閉那些機(jī)器，因?yàn)楣娞矚g它們了。我甚至覺(jué)得不該把我在那家鞋店的事情講出來(lái)。我發(fā)現(xiàn)這次經(jīng)歷很有意思，是我兒時(shí)記憶中最生動(dòng)的事情之一。也許因?yàn)榭匆?jiàn)我的腳趾頭不停扭動(dòng)，清楚看見(jiàn)鞋子里的一顆顆小釘子，這些離奇的畫(huà)面激發(fā)了我成為一名物理學(xué)家。
    X光其實(shí)是一種高能光子，其攜帶的能量比普通光高25 000倍。X光可以輕易穿透水和碳，就像可見(jiàn)光穿過(guò)玻璃一樣，但它們會(huì)很快被重元素（如鈣和鉛）等阻擋。X光照片其實(shí)就是牙或骨頭投射在膠片上的影像圖。鈣缺失的地方（例如牙潰爛或骨折的地方）允許更多X光通過(guò)，因而使膠片暗淡。在牙醫(yī)的毯子里有一層厚厚的鉛，可以保護(hù)你的身體（就像鉛板抵擋超人的X光視線(xiàn)的透視）。
    很多人還擔(dān)心手機(jī)的微波輻射。微波與X射線(xiàn)不同，X射線(xiàn)是高能的光子，而微波是能量極低的光子。它們以熱量的形式存儲(chǔ)能量，那也是它們?cè)谖⒉t的作用。它們不會(huì)粉碎體內(nèi)的DNA分子（除非它們真的燃燒并把物質(zhì)燒焦），因而不會(huì)像X光和其他高能輻射（甚至陽(yáng)光）那樣引發(fā)癌變風(fēng)險(xiǎn)。主要危險(xiǎn)在于熱。人們對(duì)微波的恐懼，無(wú)疑主要來(lái)自它們與其他更危險(xiǎn)形式的輻射（如伽瑪輻射）享有共同的名字。有些人將這種恐懼轉(zhuǎn)移到手機(jī)輻射，根源不在物理學(xué)，而在語(yǔ)言學(xué)。

雪中送炭、久旱逢雨，我企盼這樣的好文章回答疑問(wèn)！！！

原來(lái)是這樣的！！