中子射線：稍微懂點(diǎn)“內(nèi)功”

只看該作者 · 2011-7-9 09:08:41

本帖最后由 jzxxs 于 2011-7-9 09:12 編輯

  Sheldon 發(fā)表于 2011-07-06

福島核事故以來，相信大家對電離輻射的概念不再陌生。大師兄α射線，是帶有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子的氦核，二師兄β射線，是高速運(yùn)動(dòng)的電子，三師兄γ射線，是一種高能光子，四師兄X射線，是一種比γ射線能量低一些的高能光子。除此之外，還有一個(gè)名氣不大，本事不小的小師弟，他就是中子射線。
中子射線之所以排在四位師兄的后面，因?yàn)槌鰣龅臋C(jī)會較少。α、β和γ常常產(chǎn)生于天然放射性衰變中，X射線也常常與醫(yī)學(xué)檢查聯(lián)系在一起。除此之外，工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中也時(shí)不時(shí)地會遇到這幾位的身影。相比之下，中子射線就沒那么常見了。只有極少數(shù)放射性元素衰變時(shí)會放出中子，個(gè)別原子序數(shù)較大的天然放射性元素也會自發(fā)裂變釋放出中子。為了得到大量的中子射線，往往要用一種粒子去轟擊原子核。例  如，用α射線轟擊鈹-9，會生成碳-12和中子。因此，日常生活中接觸到中子射線的機(jī)會要比其他射線小得多。
   由于宇宙射線的影響，在海平面附近，中子的通量密度約為60中子/平方厘米·小時(shí)，這代表平均1平方厘米的面積上一個(gè)小時(shí)之內(nèi)會通過大約60個(gè)中子。而在3km的高空，這個(gè)數(shù)值就增加到了600中子/平方厘米·小時(shí)[1]。相比之下，體重70公斤的成人體內(nèi)每秒鐘有約4300個(gè)鉀-40原子發(fā)生衰變[2]，釋放β或γ射線[3]，假設(shè)人體的橫截面是500平方厘米，宇宙射線全部來自豎直方向的話，那么每秒鐘穿過人體的中子數(shù)約為8.3~83個(gè)，還不及鉀-40衰變的零頭，完全不需擔(dān)心。

微妙的平衡

中子雖然是小師弟，但他還懂一點(diǎn)兒師兄們都不擅長的"內(nèi)功"，那就是把某些本來沒有放射性的化學(xué)元素變成它的放射性同位素，叫做中子活化（neutron activation）。我們知道，化學(xué)元素的原子核由質(zhì)子和中子組成。在強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用的明爭暗斗之下，原子核的“磚塊”之間保持著一種微妙的平衡。此時(shí)，如果原子核俘獲了一個(gè)外來的中子，三種相互作用的比例就會發(fā)生變化，微妙的平衡也許就不復(fù)存在，原子核的大廈變得搖搖欲墜，隨時(shí)可能土崩瓦解——這就形成了該元素的放射性同位素。
中子射線的師兄們也有類似的本領(lǐng)。不過要么是它們的穿透性比中子弱，不能深入物體內(nèi)部；要么需要很高的能量，天然放射性元素釋放的能量通常沒這個(gè)高；要么與原子核發(fā)生反應(yīng)的概率比中子的小幾個(gè)數(shù)量級[13]，所以放射劑量學(xué)的文獻(xiàn)通常不考慮它們的“活化反應(yīng)”。那么，中子射線相對擅長的本領(lǐng)要不要考慮呢？看一個(gè)真實(shí)的案例就知道了
中子射線的真實(shí)案例
由于天然的放射性元素衰變時(shí)極少釋放中子，因此，一般人受到大劑量中子射線影響的唯一可能便是核武器和臨界核事故了。在核爆炸的最初十幾秒中,會釋放出大量γ射線和中子射線[4]。1999年，發(fā)生在日本JCO公司某燃料廠的臨界事故[4,5]，也釋放出了大量γ射線和中子射線，造成2人死亡，留下了慘痛的教訓(xùn)。
在日本JCO公司的這次事故中，共有三名操作員受到了致命劑量的輻射，其中A為16~20Gy，B為6~10Gy，C為1~4.5Gy[4]，與之相對的是，人們平均一年所受到的所有輻射的劑量當(dāng)量為1~10mSv。Gy（戈瑞）表示吸收劑量，1Gy等于1焦耳每千克。如果換算成衡量輻射的生物學(xué)效應(yīng)的劑量當(dāng)量，Sv（希沃特），還要乘以一個(gè)比例因子[6]。對α粒子來說，這個(gè)因子是20，對中子來說，這個(gè)因子在5~20之間，對β和γ射線來說，這個(gè)因子是1。

JCO事故中，患者A的尿液所含的放射性元素的能譜，樣品96ml，計(jì)數(shù)時(shí)間為20000秒

由于中子射線活化了人體內(nèi)的化學(xué)元素，它們還帶上了一定程度的放射性。日本放射科學(xué)國家研究所的一篇論文寫道[7]，研究人員對受害者血液、尿液和嘔吐物進(jìn)行檢測，得到三位受害者體內(nèi)的鈉-24的放射性衰變活度約為每秒1百萬~9百萬次衰變（8.7MBq，4.0MBq，1.2MBq）。自然界中鈉-23的豐度為100%，因此受害者體內(nèi)的鈉-24一定是在核事故中產(chǎn)生的。我們根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的“放射性藥物單位給藥量的有效劑量”做一個(gè)大概的估計(jì)[9]，這些鈉-24將給受害者造成額外的0.4~2.8mSv的照射，大約相當(dāng)于做了一次CT檢查[10]。因此通常的放射性計(jì)量學(xué)文獻(xiàn)也很少提到中子射線的活化反應(yīng)。
人體的化學(xué)元素組成按照重量排，依次是氧、碳、氫、氮、鈣、磷、硫、鉀、鈉、氯、鎂等等[1]。除此之外，還有一些不超過人體重量0.4%的微量元素。這些化學(xué)元素中的大部分并沒有天然放射性；即使其中一些元素俘獲了一個(gè)中子，要么新產(chǎn)生原子核很穩(wěn)定，沒有天然放射性，要么它的半衰期非常長，對人體的影響可以忽略[11]。要么衰變時(shí)不發(fā)出、或很少發(fā)出γ射線[12]，不易探測。因此，JCO核事故中，從受害者樣本中檢測到的被中子活化的放射性元素主要有放出γ射線的鈉-24、鉀-42和溴-82。

表一：人體的化學(xué)元素組成（按照重量排）

氧	碳	氫	氮	鈣	磷	硫	鉀	鈉	氯	鎂
61%	23%	10%	2.6%	1.4%	1.0%	0.20%	0.20%	0.14%	0.12%	0.027%

中子射線與食品安全
中子射線會不會對我們的食品安全造成影響呢？筆者查詢了許多文獻(xiàn)，搜索了各種關(guān)鍵詞的組合，都沒有找到相關(guān)話題的討論。從理論上講，食品當(dāng)中的化學(xué)元素的確有可能被中子射線活化，從而帶有額外的放射性。但討論這個(gè)問題實(shí)在有點(diǎn)兒杞人憂天——自然界單位時(shí)間的中子通量密度約為60中子/平方厘米·小時(shí)，而JCO事故中，受害者遭受的中子通量密度約為5700億中子/平方厘米，相當(dāng)于自然情況下100萬年的總和。因此，不需要估算吸收劑量，我們就能確定完全不需要考慮日常生活中中子射線的影響。
況且，在核事故中，中子射線主要產(chǎn)生在堆芯附近；而食品安全主要討論的是周圍幾十公里的區(qū)域。在這種時(shí)候（即使受到了核武器攻擊），對食品安全影響最大的應(yīng)該是放射性物質(zhì)的沉降——如果隨風(fēng)飄散的放射性物質(zhì)都沒有影響到食品安全，那么直線運(yùn)動(dòng)的，經(jīng)過防護(hù)罩重重阻隔所泄露出來的中子射線（造成的活化）就更加不需要考慮了。這是由于資料匱乏，筆者得出的個(gè)人想法。
相比α、β、γ和X射線，中子射線的確是個(gè)不容小瞧的角色。不過在日常生活中，中子射線對人的負(fù)面影響微乎其微，完全不需要考慮。許多工業(yè)技術(shù)、科學(xué)研究和醫(yī)療手段都要依賴中子射線、或中子活化所產(chǎn)生的放射性同位素。它就像其它幾位師兄一樣，已經(jīng)成為人類生活的重要組成部分。不知不覺之間，它就在改變你的生活。