辐射及其防护基本知识
一、什么是原子和原子核？
世界上物质有千千万万,结构各不相同,但都是由基本元素组成的。目前己发现了118种元素,其中92种是天然的,26种是人造的。构成元素的最小单元是原子,各元素都有各自的原子。原子是由更小的粒子组成的,它们是质子、中子和电子,而原子核是原子中带正电的核心,它是由质子和中子组成的,而电子在不同轨道上围绕原子核不停地运动。
二、什么是同位素？
同位素是指一种元素的所有原子,包含有相同的质子数,但中子数可能不同,即那些原子序数相同而原子质量数不同,也就是核里质子数相同而中子数不同,在元素周期表内占据着同一位置的那些物质。
三、什么是放射性同位素？
同位素又分为稳定同位素和放射性同位素。稳定同位素原子核的质子数、中子数以及核结构都是稳定不变的,多数原子核属于这一类;原子核不稳定,能自发地放出射线而变成另一种核素(即改变了原子核中质子数和中子数)的同位素叫放射性同位素。有些元素的同位素虽然原子核的质子数和中子数都不会改变,但其核结构能自发地发生改变,例如核外电子能级的改变而放出电磁辐射,它们也属于放射性同位素。放射性同位素有天然的和人工制造的两种,天然的也要经过人工提纯后才能使用。
四、什么是衰变和射线？
原子核放出射线而变成另一种核素的现象叫衰变。在这种现象中,最初那个原子核叫母体,放出射线后生成的新核素称为子体。
不稳定的同位素的原子核能自发地发生变化而放出某种粒子(α、β-、β＋)或射线(γ射线)的现象称为核衰变。核衰变不受外界因素影响,而是由放射性元素核内部能量状态决定的。
放射性核素有三个重要特点,它们是:
㈠、能自发的放出射线,与此同时衰变成别的核素。射线一般有α、β、γ三种,有时又依此称为甲种射线、乙种射线、丙种射线。一种核素衰变时,不一定都能放出这三种射线。质量较轻的同位素一般只放出β、γ射线,质量较重的放射性同位素,多数能放出α射线。
α射线穿透能力很弱,一张纸便可挡住。但其能量容易传递给物质,所以要特别注意防止放出这类射线的放射性物质进入体内。
β射线就是高速运动的电子,穿透能力比α射线强,但不太厚的铝片便可以把它挡住。
γ射线是不带电的中性粒子,静止质量等于零,习惯上也称光子。γ射线与物质相互作用时,同带电粒子与物质的相互作用情况不大相同。γ射线不能使物质直接电离和激发,也没有射程的慨念。它与物质作用有三种主要的形式,即:较低能量的γ射线,在物质中主要产生光电效应;中等能量时,主要产生康普顿效应;能量较高时,主要是电子对效应。
γ射线与物质相互作用时发生的任何一种效应,都会产生次级电子,次级电子从γ射线中获取能量的多少,取决于相互作用的形式和γ射线的能量及吸收介质的种类。γ射线在上述三种形式的作用过程中逐渐被吸收或变成另一种能量较小的光子。
㈡、有一定的半衰期(半衰期记作T1/2)。某种放射性核素放射出一种或一种以上射线并衰变为别的核素的过程中,其放射性活度(单位时间内发生的核衰变数)不断减小。一定数量的某放射性核素的原子数由衰减到它的初始值的一半所需的时间长度称为该放射性核素的半衰期。半衰期是放射性核素的一个特征常数,不随外界条件和元素的物理化学状态的不同而改变。不同的放射性核素半衰期长短差别很大,长的可达几十亿年,如钍-232为140亿年;短的在百分之一秒以下,如钋-212仅为3.0×10-7秒,即一千万分之三秒。
㈢、放射性原子核数目的减少服从指数规律。
五、射线的发生
天然放射性物的衰变过程释放出带电电离粒子、不带电电离粒子或由两者混合的任何辐射的射线。射线在此指电离辐射，是通常所说的带电电离粒子，如电子、质子、及粒子等，它们具有足够大的功能，以致由碰撞产生电离；那些能使物质释放出带电电离粒子或引起核变化的不带电粒子，如中子、光子等，称为不带电电离粒子。下面仅简要认识X射线、γ射线。
㈠、X射线
⑴、X射线的产生：在工业上是由特制的X射线管产生的。它是波长比较短的电磁波（波长约为10-8-10-10cm）。
⑵、白色X射线（连续X射线）与标识X射线（特性X射线）
白色X射线指波长在一定范围内连续变化的X射线（既波长是由多种波长组成的）。
标识X射线指波长相对单一的X射线。
在应用技术上，用来鉴别元素和进行物质的化学成份的定性、定量分析采用
标识X射线。而射线探伤一般应用的是连续X射线。
㈡、γ射线
⑴、γ射线的产生：γ射线是从某些放射性物质（例如：钴、钍、铀、镭、铱、铯等放射性物质）原子核里放射出来的；原子核从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时,放出γ射线。此外，基本粒子湮没、带电粒子的韧致辐射及原子核衰变过程，都能产生γ射线。既：产生γ射线的方式很多，主要有放射性同位素衰变、韧致辐射、核反应、核裂变等，因而就有式样不同的同位素。就γ辐射装置来看，目前大多采用放射性同位素γ源。同位素发射的γ射线，是放射性核衰变的伴随辐射。γ射线是波长极短的电磁波，通常它的波长在10-9-10-10 cm，
它的速度和光速一样。它的穿透能力较强，能穿透300mm的钢板。
⑵、γ辐射源（同位素γ源简称为γ源）的选用。不同使用场合，对γ射线源要求是不一样的，应满足于寿命长、安全性能好、自吸收小，比放射性高、经济，货源充足等条件。在核物理实验、同位素仪器仪表、γ探伤、γ治疗机、γ照相、X荧光分析等等各个方面都需要使用γ辐射源。
六、什么是放射性活度、照射量、吸收剂量、剂量当量？
㈠、放射性活度:放射性活度是在单位时间内发生核衰变的数目,即衰变率,用符号A表示。
㈡、照射量:是描述Χ射线或γ射线在单位体积元内的单位质量空气中,产生多少电离的一个量。它并不反映空气或其它介质吸收能量情况。
1R的照射量相当于空气中8.69×10-3Gy的吸收剂量,相当于在组织中的吸收剂量为9.6×10-3Gy。
㈢、吸收剂量:它适用于各种类型的辐射和任何介质,也适用于内、外照射。它的定义是:单位质量被照物质平均吸收的辐射能量。它的物理意义是:电离辐射与物质相互作用时,单位质量的物质中吸收电离辐射能量多少的一个辐射量,也就是粒子授予单位质量物质的能量多少。
㈣、剂量当量:研究证明,某一吸收量的生物效应,是与辐射的种类以及照射条件有关的。就是说,仅知道人体接受的吸收剂量,还不能说明人体受到多大伤害,因此引用了剂量当量来修正。剂量当量H定义为:吸收剂量和其它必要的修正因数的乘积,用下式表示:
H=DQN D是吸收剂量、Q是辐射线质系数(也称品质因数)、N是其它修正系数,目前ICRU(国际辐射单位和测量委员会)指定N=1
各种辐射类型的Q值
各单位之间的关系
西弗（又译希沃特，英文Sievert，缩写Sv）是一个国际单位制导出单位，用来衡量辐射对生物组织的伤害（剂量当量）。得名于瑞典生物物理学家Rolf Maximilian Sievert。
定义为1西弗=1焦耳（辐射能量）/公斤。旧时剂量当量还用雷姆单位（又称人体伦琴当量，英文Röntgen equivalent man或rem）衡量，1雷姆=0.01西弗。
此外，人体所受的辐射剂量，是以辐射场的强度与曝露时间的相乘积计算。故一般表示辐射强度，其单位有(微西弗／小时)及(毫西弗／年)二个。不要弄错单位，因为【毫西弗】是【微西弗】的千倍，而一年有8760小时，所以: 【微西弗】是与【每小時】搭配，而【毫西弗】与【每年】搭配才相符合。
七、辐射对人体有什么影响？
人体所受的辐射照射分为内照射和外照射两类。进入人体的辐射源对人体产生的照射称为内照射;而处在体外的辐射源对人体产生的照射称为外照射。
不论是内照射还是外照射对人体健康都可能产生一定的影响。
㈠、辐射效应分类和辐射损伤机理。
人体受到电离辐射照射后,辐射对人体产生的效应可以出现在受照射者本人或他的后裔身上。出现在受照射者本人身上的称为躯体效应;出现在受照射者后裔身上的称为遗传效应。
国际放射防护委员会在第26号出版物中又将这些效应分成随机性效应和确定性效应(非随机性效应)二类。随机性效应是指发生几率(不是严重程度)与剂量大小无关的效应,这种效应不存在剂量的阈值。确定性性效应是指严重程度随剂量而变化的效应,这种效应存在着剂量的阈值,低于这个阈值不会见到有害效应。
遗传效应和躯体效应中癌的发生都是随机性效应。为了防护目的,假定了在低水平照射下,随机性效应的发生率和剂量有着线性无阈的关系,即发生率和剂量成正比,也就是说即使很小的剂量也有可能使人体受到损害,只是发生的几率是很微小的。
确定性性效应表现为机体机能的改变,例如形成白内障、皮肤的良性损伤、
骨髓中细胞的减少、生育能力的减退、血管或结缔组织的损伤等, 但这些效应不会表现在后裔身上,所以不属遗传效应。确定性效应的严重程度(疾患严重程度)取决于剂量的大小,即只有在机体接受的剂量超过一定的阈值时才能发生。例如:引起影响视力的眼晶体混浊的阈剂量当量不会低于1500雷姆(15希沃特即15Gy),可引起有损美容的皮肤阈剂量是几个星期或几个月内,局部吸收剂量为20戈瑞(20Gy即2000拉德)。
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电离辐射引起上述这些效应的机理较为复杂,目前尚未完全研究清楚。但研究认为:人体细胞中含有大量水分,电离辐射可使水分子电离,电离形成自由基(H,OH)和过氧化氢等毒物,自由基的化学性质极活泼,过氧化氢为强的氧化剂,它们与细胞中的硫氢基及其它重要化合物发生反应,造成细胞损伤。大量的研究还证明,电离辐射还可以直接使细胞中的染色体或其它重要成分断裂,从而造成非正常细胞的出现。如果损伤的细胞是体细胞,则表现出躯体效应;如果损伤的是生殖细胞,则辐射效应表现在受照者的后代身上,为遗传效应。
㈡、剂量与效应的关系。
非随机性的躯体效应存在着阈剂量。即当受照射剂量超过一个阈值时引起急性损伤的一些效应,受照射者身上会出现一些相应的症状。
下表给出了一次全身受到较大剂量的照射后能引起的症状:
一次全身受到大剂量的照射后能引起的症状
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照射量 (伦) |
相当组织中吸收剂量(Gy) |
症 状 |
治 疗 |
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~25 |
~0.24 |
无明显自觉症状 |
可不治疗、酌情观察 |
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25~50 |
0.24~0.48 |
极个别人有轻度恶心、乏力等感觉,血液学检查有变化 |
增加营养,要观察 |
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50~100 |
0.48~0.96 |
极少数人有轻度短暂的恶心、乏力、呕吐,工作精力下降 |
增加营养,注意休息,可自行恢复健康 |
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100~150 |
0.96~1.44 |
部分人员有恶心、呕吐、食欲减 退、头昏乏力、少数人员一时失去工作能力 |
症状明显者要对症治疗 |
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150~200 |
1.44~1.92 |
半数人员有恶心、呕吐、食欲减退、头昏乏力,少数人员症状较重,有半数人员一时失去工作能力 |
大部分人员需要对症治疗,部分人员需要住院治疗 |
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200~400 |
1.92~3.84 |
大部分人员出现上述症状,不少人症状严重,少数人可能死亡 |
均需住院治疗 |
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400~600 |
3.84~5.76 |
全部人员无上述症状,死亡率约为50% |
均需住院抢救,死亡率取决于治疗积极性 |
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>800 |
>7.68 |
一般将100%死亡 |
尽量抢救,或许对个别人有成效 |
意的是:以伦琴为单位的照射量只能用来描述X射线和γ射线对空气的效应,以拉德(rad)或戈瑞(Gy)为单位的吸收剂量则适用于任何辐射类型(α、β、γ、Χ等)和介质。以雷姆或希沃特为单位的剂量当量则是反映对人体生物效应的量。
这里必须强调的是:这些剂量是一次(例如一天左右)给予全身时才有上表所列的效应,分几次或局部受照射时效应会完全不一样。许多因素,如射线的种类、受照射的总剂量、剂量率、照射方式(照射面积和部位)、机体生理状态(年龄和健康状况)及受照后的医疗条件等,都能直接影响损伤的严重程度和发生几率。但主要因素是受照射总剂量、剂量率和照射方式。
在受照射总剂量相同而剂量率和照射方式不同时,损伤程度就不会相同。例如,一次(一天内)全身接受了300伦(R,相当在组织中吸收剂量为2.88Gy,下同)的照射大部分人会出现不同症状,有的很严重,少数人可能死亡。但如果300伦是在5年内均匀的逐渐照射,则可能不会出现辐射引起的非随机性损伤。再从照射方式看:如果这300伦虽然是一次给予,但受照部位仅是手或脚,则可能看不出非随机性明显损伤;如果用300伦照射头部,则损伤就相当严重。
而小剂量照射引起的躯体损伤,是可以恢复健康的,在一般情况下主要依靠机体自身的修复作用即可恢复健康。
八、日常生活中人类是否时刻受到辐射照射？
在日常生活中人类时刻受到辐射照射,人类的历史就是处在辐射照射下生存和发展的。一方面人类要受到天然辐射源的照射,它称为天然本底照射,当然,这种照射水平比较低。一方面要受到人工辐射源的照射。无论是自然界中的辐射,还是人类在生产和应用辐射源时均可对人体产生一定的影响,影响程度取决于吸收的辐射总量和所接受的剂量当量。
㈠、天然本底照射
1、宇宙射线:它分为初级宇宙射线和次级宇宙射线。
初级宇宙射线:它来源于银河宇宙射线、初级太阳宇宙射线和赤道上空的辐射带。它们是看不见、闻不着、听不到的,能量很高,主要是由原子、α粒子和电子等高速粒子组成的。
初级宇宙射线是对人类有潜在危险的太空辐射。人类和生物由于受到大气层、电离层和磁层的保护而免受它的直接照射。
初级宇宙射线闯入大气层后,与大气层中的氮、氧等多种元素的原子核发生核反应,释放出许多次级原子、中子,就构成了次级宇宙射线。当初级宇宙射线的能量达1012—1013MeV(兆电子伏特)时,可产生数万亿的电子、质子和中子等。这些粒子可辐射到地球,使人类可能受到直接照射。宇宙射线中的中子与大气层的氮发生相互作用时,产生一种非常重要的放射性核素14C,其反应为14N(n,p)14C,14C的半衰期为5692a(年)它将扩散到低层大气中,并在那里被生物吸收。
宇宙射线的强度随海拨高度增加而增大。
2、地球上的辐射源:这些辐射源来自土壤、岩石等,其中存在着的镭、钍、铀及它们的子体产物等放射性元素会不断地转移到空气、水和食物中。这些放射性元素的浓度与地理位置和地质构造关系密切,有些地区,如印度喀拉拉邦和马都拉斯邦的独居石地质构造地区就属于高本底地区,那里的剂量率高达1300mrem(13mSv)/a。当然,安全文化网 www.anquan.com.cn
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