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技术文章

辐射防护常用知识

2006/3/14 16:34:00

一、原子核与原子(核)能

    自然界的物质由各种各样的元素组成,比如,水由氢元素和氧元素组成,食盐由钠元素和氯元素组成。元素通常被叫做原子(严格地说,把核电荷数相同的一类原子叫做一种元素),所以,可以说,物质是由各种各样的原子组成的。

     原子由原子核与电子组成。原子核位于“中心”地位,几乎集中了原子全部质量,带正电荷;电子带负电荷,围绕“核心”运动。原子的质量数取决于原子核,其电子质量数忽略不计。每种原子都有一个“原子核心”和多个电子,电子一圈一圈“守规矩”排列并且运动。不同的原子其电子数也不同,比如,炭原子6个电子,氢原子1个电子。不同原子,其原子核具有的正电荷数目就不同;原子核的正电荷数目,正是它在元素周期表中排列的序号。

    原子核由质子和中子组成,“姐妹”俩统称“核子”。不过,中子不带电荷。只有质子带正电荷,与对应的电子(负电荷)形成“稳定局面”。比如,原子序号都为1的氢有3种,“正宗”的氢只有1个质子,即带1个正电荷,另两种分别叫重氢和超重氢。重氢又叫氘(音“刀”),其原子核中有1个质子,还有1个中子;超重氢又叫氚(音“川”),1个质子,2个中子。它们的质量分别是“正宗”氢的2倍和3倍。氢、氘、氚具有相同的化学性质,原子序数都是1,科学家把它们叫做“氢的3种同位素”,也可以叫做3种不同的核素,分别写作11H、12D、13T 。左下角数字表示“原子序数”,左上角数字表示其质量数。

    原子核中的质子带有的正电荷数目,同电子(带负电荷)数目是相等的,正是它在元素周期表中排列的序号,科学家称之为“原子序数”。又比如氦原子,写作 24 He,原子序数为2,其质量数是4,显然,其原子核中有2个质子和2个中子。

    质子和中子之间,中子和中子之间,质子和质子之间,总而言之,核子之间,存在着很强的吸引力——核力,或者说结合能、原子能。在一般情况下,核力使所有核子结合成一个紧密的稳定结构。要想分裂一个原子核,就必须从外部供给能量,克服这种结合能。

    研究表明,质量不同的原子核,其结合能是不同的。中等质量的原子核,其结合能较大;“重量级”质量的原子核,其结合能较小。当“重量级”原子核分裂成中等质量的原子核时,要放出能量,这就叫“核裂变能”。

    又知道,“轻量级”原子核的结合能也比中等级质量的原子核结合能要小,两个“轻量级”原子核聚合成一个中等级质量的原子核时,也有能量放出,这就是“核聚变能”。

    它们都叫核能。核电站就是利用“核裂变能”原理进行发电。

    二、放射性

    1、 放射性现象的发现

    1896年,法国物理学家贝可勒尔在研究物质的荧光时发现,某些铀盐可以放射一种人的眼睛看不见的射线,这种射线能穿过黑纸、玻璃、金属箔使照像底片感光;而且还观测到,靠近铀盐的空气被“电离”了,验电器可以检验出来。

    1898年,居里夫人和施密特各自观测到,钍的化合物也能放出类似的射线。居里夫人把这种“原子现象”称为放射性。不久,她又发现了放射性更强的镭。铅可以有效地阻挡射线。

    1899年,有科学家将镭源放入铅制造的容器中,容器开有一小孔,让镭的射线射出。然后在射线的垂直方向施以磁场力,奇迹出现了,射线在磁场力作用下,分解为3束,科学家把它们分别命名为α、β、γ射线。后来证明,偏转角度不大的α射线或者说α粒子就是氦原子核(带正电荷);偏转角度大的那束命名β,是电子束(带负电荷);中间不偏转的命名γ,是电磁波,无电荷。

    2、 放射性核素

    核素可以分为两大类,一类是稳定的,另一类是不稳定的。不稳定核素可以自发地蜕变为另外元素的核素,这个过程叫做放射性衰变。在放射性衰变过程中,会从核内放出 α 粒子、β粒子 、γ光子以及其它射线。这种不稳定核素放出射线的特性叫放射性。例如,考古鉴定文物年代使用的碳-14(写作14C),它就衰变成氮-14(写作 14N)。氮-14是稳定核素。现在已经知道的107种元素的1900多种同位素中,大约有300种是稳定核素;其余1600种是放射性核素,其中的大约60种是天然放射性核素,其它是人工制造的。放射性核素又叫放射源。

    3、 放射性活度和单位

    据《中国环境报》权威资料,全国现有放射源用户上万家,“密封放射源”大约5万枚,总活度约1350万居里。那么,什么叫放射性活度?所谓放射性活度是指一定量的放射性核素在单位时间内的衰变数;单位是“贝可勒尔”,简称贝可,符号为Bq ;1Bq =1个衰变/秒。所谓居里(符号Ci ),是以前用的或者说习惯用的单位,居里与贝可的关系是:1居里=3.7×1010贝可。

    4、 电离辐射

    α粒子、β粒子、质子等带电荷,可以直接引起物质电离;X射线、γ光子和中子等不带电荷,但是在与物质作用时产生“次级粒子”从而使物质电离。所有这些现象,统称电离辐射,习惯简称辐射。另外,红外线、紫外线、微波、激光等也称辐射,但不是“电离辐射”。

    5、 电离辐射剂量和单位

    电离辐射作用于人体,会引起人体的某些变化。人们为了研究这种影响,借用了医药中“剂量”一词,称电离辐射剂量,用以度量电离辐射的程度。随着辐射防护科学的发展,“剂量”一词的含义语来愈丰富。这里介绍几种常用的概念。

    1)、照射(剂)量,指X射线 、γ射线在空气中产生电离作用的能力大小。以前的或者说人们习惯的专用单位是伦琴,简称伦,符号为R 。

    2)、照射(剂)量率,是指单位时间里的照射(剂)量,常常以伦/小时、微伦/秒表示,符号分别为R/h 与 μR/S,或者写作Rh-1 与μRS–1

    现在现场使用的测量“照射量率”的仪表,其单位是 μGy h-1 读作“微戈瑞每小时”。

    照射(剂)量率通常是指场所X射线 、γ射线的辐射强度,而不是人体受照射剂量。

    3)、吸收剂量,这可以指人体受到电离辐射后吸收了多少能量。其专用单位是“戈瑞”,简称戈,符号为Gy;或毫戈瑞、微戈瑞。

    4)、当量剂量。人体吸收剂量产生的效应,除了与剂量多少有关外,还与其它因素(比如辐射类型、射线能量大小和照射条件)有关,因此要根据其它因素进行修正,修正后的吸收剂量叫“当量剂量”。

    5)、有效剂量。人体受到照射时,常常是多个器官受到照射。器官不同,产生的效应也不同,所以,要进一步细化为“有效剂量”。当量剂量和有效剂量的单位都叫“希沃特”,简称希,符号为Sv,常常用毫希:mSv。

    6)、待积当量剂量和待积有效剂量。这是为了计算放射性物质进入人体内后长时间(一般地说,成人取50年,儿童取70年)对人体组织和器官造成的当量剂量和有效剂量。

    三、电离辐射对人体的效应

    电离辐射对人体的作用,是一个非常复杂的过程。它通过直接的或间接的电离作用,使人体的分子发生电离或者激发。对人体的水分子,会使其产生多种自由基和活化分子;严重的,导致细胞或机体损伤甚至死亡。

    当然,电离辐射对人体的作用过程是“可逆转”的,人体自身具有修复功能,这种修复能力的大小与个体素质的差异有关,与原始损伤程度有关。所以,一定要控制人所受剂量的大小。

    1、 外照射

    对X射线 、γ射线,吸收剂量在0.25戈瑞以下时,人体一般不会有明显效应;但是,剂量再增加,就可能出现损伤。当达到几个戈瑞时,就可能使部分人死亡。接受同样数量的“吸收剂量”,受照射时间越短,损伤越大;反之,则轻。吸收同样数量剂量,分几次照射,比一次照射损伤要轻。

    α粒子穿透能力弱(一张纸就可以阻挡),不会引起外照射损伤。β粒子穿透能力也较弱,外照射时只能引起皮肤损伤。γ射线穿透能力强,人体局部受到它照射,吸收2~3戈瑞剂量时不会出现全身症状,即使有人出现也很轻微。但是,全身照射就可能会引起放射病。

    不同组织和器官对电离辐射敏感性也不同。

    2、 内照射

    不同放射性核素进入人体内,沉积在不同的器官,叫做内照射,对人体产生不同程度的影响。例如,镭和钚都是亲骨性核素,但镭大多沉积在骨的无机质中,而钚主要沉积在骨小梁中,会照射骨髓细胞而出现很强的辐射毒性。

    内照射主要是α粒子和β粒子。α 粒子能量大,对人体细胞损伤较为严重。

    四、 辐射防护

    1、外照射辐射防护。X射线 、γ射线和中子等在人体外对人照射时,其防护措施有:1)、保持距离,距放射源愈远,人体吸收剂量就愈少。2)、减少受照射时间。3)、用屏蔽物质防护。射线通过与物质接触,能量被减弱,所以,在放射源与人体之间加装屏蔽物就能起到防护作用。铅的屏蔽作用最好,水、铁、水泥、砖、石头、铅玻璃也常用。

    2、内照射防护。戴口罩防止经呼吸道吸入α粒子和β粒子。食物、水被怀疑受到污染时,应当检测,不合要求不饮用。穿戴工作服防止皮肤吸收,尤其要注意防止通过伤口进入人体内。

    五、 密封放射源

    放射性核素已经在工业、农业、医学、考古、国防和科学研究等领域得到越来越广泛的应用。把放射性核素(即放射源)制成密封好的“东西”(简称密封源),使用方便。

    密封源是被密封在特殊的包壳里的,或者用特殊方法覆盖的。包壳有足够的强度,能够使人不受放射性照射或污染。

    密封源种类很多,按射线类别分,有α源、β源、γ源、中子源、低能光子源等;按几何形状分,可以分为点源、线源、平面源、圆柱源、圆环源等;按活度的不确定度分,可以分为检查源、工作源、参考源、标准源等;按用途分,可以分为医疗用、工业照相用、辐射式仪表用、离子发生器用、γ辐照用、放射性测井用、放射性测量和仪表刻度用等等。

    工业、农业、医疗、科研等部门大量使用强γ放射源,如钴-60,而且活度大多数在1×105~6×105居里之间。工农业生产中经辐照过的物品没有放射性。

    六、X射线

    高速电子轰击靶物资时,会产生X射线。利用此原理,人们制造了X光机。X光机种类好多,如诊断用、治疗用、探伤用光机,X线定向仪,测厚仪等。

    X光机的核心部分是X线管,通常由安装在真空玻璃壳内的阴极和阳极组成。阴极为钨丝,阳极则根据不同需要由不同材料制成多种形状。

    也就是说,X光机里没有“密封源”。

    现代科学仪器,有许多利用高速电子流的设备或器件,例如电子显微镜、电子轰击炉、阴极射线管、高压整流管、真空开关、高频发射管、电视显像管等等,都会产生X射线。

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