李泳的博客之三——生活中的核辐射

      日本的核辐射危机还没解除，我们接着听Muller教授给未来总统的物理课。
      辐射会消失，不过要等很长时间。有的危险辐射，例如碘131的辐射，只持续几个星期。钚令人色变，因为它的辐射能持续24 000年，而钾40——在血液和肉类（特别是香蕉）中发现的一种重要放射性原子——会持续10亿年！我们是该怕寿命长的原子还是怕短的呢？
    问题很复杂，但也不算太复杂。一个原子核只能爆炸一次，然后就消失了。那意味着任何包含放射性的东西最终都会失去放射性。随着原子的消耗，残余的可以爆炸的核的数量也在减少。放射性在消失，它随时间衰减。正因为这个，人们常称放射性爆炸为放射性衰变。
    放射性物质的半衰期是辐射降低到初始水平的一半所需要的时间。下面列举了一些有关决策问题的原子的半衰期：

钋（Po）215：0.0018秒       锶（Sr）90：30年           钋（Po）216：0.16秒      铯（Cs）137：30年
铋（Bi）212：1小时            镭（Ra）226：1620年    钠（Na）24：15小时       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
铁（Fe）59：1.5月              铀（U）235：7.1亿年      钋（Po）210：3月           钾（K）40：13亿年
钴（Co）60：5年                铀（U）238：45亿年        氚（H3）：12年

    碘131的半衰期是8天，但它的辐射会持续几个星期，这很容易理解，因为“半衰”不等于消失。经过半衰期8天后，辐射消失了一半。你可能以为经过两个半衰期，所有辐射都将消失，那是不对的。放射性是一种概率现象，残余的尚未衰变的核与原先的一样。即使它们开始第二个半衰期，在那个期间也可能只有50％的几率衰变。经过第二个半衰期后，初始原子的25％会消失。再经过一个半衰期，它们的一半也将消失，原子数量减小到原先的12.5％。因为只有12.5％的放射性原子留下来，辐射也降到原先水平的12.5％。然后是6.25％，如此下去。经过10个半衰期（80天）后，残余的量减小到千分之一，这是1/2自乘10次的结果。再经过10个半衰期（共20个半衰期），残余量就只有原先的百万分之一。
     这里的关键是，经过一个半衰期后，辐射的危险降低1/2，但它还能延续很多个半衰期。只要还有最后一个原子没爆炸，放射性就不可能完全消失。但减小10亿倍（经过30个半衰期）后，大多数辐射都不可能探测，通常也就没有危害了。
     让我们再回来看看碘。它之所以那么危险，部分原因是它衰变太快，在很短时间内向受害者发出很大的剂量。碘聚集在甲状腺，其辐射诱发甲状腺肿瘤。如果你害怕近距离暴露在碘的辐射下，可以多吃碘片（无放射性的碘）。你的甲状腺碘饱和了，有足够的无害碘供给，就不会再吸收更多的碘。所以要服用碘片，把放射性碘赶出你的甲状腺。你只需要坚持服用几个星期，因为大部分放射性碘都将在那段时间里衰变、消失。
    有人误以为碘片还能抵御来自核反应堆的废料。其实没用，因为核废料的放射性并不来自碘。如果废料堆几个月，那么所有放射性碘都已经衰变了。核废料的危险来自半衰期更长的原子。我们还是回到原先的问题。哪种半衰期的危险性最大，长的还是短的？结果发现，两者都不是。

长短半衰期的危险性比较

     在一次核事故中，最危险的物质通常不是半衰期很短或很长的，而是半衰期不长不短的。那是因为，半衰期短的原子很快就消失，而半衰期长的原子需要漫长时间衰变，每秒钟的衰变很少。例如，在核爆炸尘埃中，可能导致最大杀伤的物质是锶90，半衰期为30年。锶的危险在于，它的半衰期足够短（30年而不是1000年），在人的一生中可以发出大量辐射；同时又足够长（30年而不是8天），我们很难等着它完全自然消失。
     钋210半衰期为100天，曾被人选做谋杀的材料。为什么选它呢？杀手需要它在释放之前保持威力。假如半衰期为一个星期，他可能觉得太快。他又不想半衰期太长，那样的话，被害者也许不会很快因为大剂量死去。所以，谋杀者大概觉得100天的半衰期是最佳选择。
    核反应堆的钚239的半衰期为24 000年，在相同质量的情况下，这么长的半衰期不像锶90那么危险。然而，对核废料储藏特别是核反应堆来说，它是一道难题，因为衰变的时间太长了。
    氚（氢的放射性同位素）用来造手表的夜光管，半衰期为12年。这意味着12年后你的手表就只有现在的一半亮光。24年后，就要换新的了。我不担心手表的辐射，因为氚发出的电子没有足够的能量脱离表壳。我们不仅要看每秒发生的衰变数，还要看它们是否能进入身体并造成破坏。不过，要小心镭表，它们的伽玛射线很容易跑出表壳。
    现在考虑长半衰期的铀238：45亿年。我们相信所有铀都是在一次超新星爆炸中生成的，那次爆炸最终导致地球在45亿年前的形成。现在还剩下一半的铀，因为它正好是在一个半衰期前生成的。用于制造原子弹的铀235的半衰期要短一些，大约7亿年。如果它是同时生成的，那么已经过了6个半衰期，只剩原来的1/64。实际上，现存铀235的总量比那个值略低，说明它在生成时不如铀238丰富。
   
    人体内最大的辐射源之一是碳14，有时也称放射性碳（radiocarbon）。我们从食物摄取碳14，其半衰期为5730年。在一般人的体内，每分钟发生120 000次碳14核衰变。每次衰变发出贝塔射线（高能电子），损害周围的细胞。我们与这些体内放射性共存，它是每个生物的一部分。它是自然的，有机的，但和人为辐射一样有害。
    当人死了，不再吃食物，碳14衰变了就不会有更新。如果考古学家发现一块化石，测量其放射性是生物的一半，那么他就知道那个生物是在一个半衰期前死亡的——也就是5730年前。这种方法是考古学中测定年龄的基本方法。如果放射性只有自然水平的四分之一，那么化石就有2个半衰期那么老。碳14可以用来测10个半衰期左右的年龄——大约57 300年。
     在美国，饮用酒必须用水果、谷物或其他植物酿造，用石油做是非法的。任何通过植物原料发酵生产的酒都含有新的放射性碳14。相反，石油是3亿年前埋藏在地下的腐烂植物生成的。那意味着石油是50 000多个碳14半衰期之前就死亡了的生物形成的，因而不会包含可测的放射性碳14。这就为美国政府检验是否用石油造酒提供了一个简单的方法。美国酒精烟草火器与炸药管理局就检验酒精饮料里的碳14，如果存在预期水平的辐射，则饮料通过检验。如果酒精没有放射性，检验人员就知道它不是用谷物或水果造的，因而肯定不适合饮用。
     同样的原因，生物燃料——由棉花、蔗糖或其他农作物制造——也有放射性，而化石燃料没有。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，不会产生任何危害，但也提供了一个简易的方法，测试它是否真的是用农作物生产的。

环境放射性

    为了确定人体所能容许的辐射水平，我们需要知道寻常暴露的环境放射性。不仅你有放射性，你周围的世界也有。我们遭遇的多数辐射来自自然资源：岩石和土壤里的钾，空气中的放射性碳，自然状态下的铀和钍。放射性氡气从地球内部渗漏出来。另外，我们还遭遇很多来自太空的辐射——来自遥远的爆炸恒星（叫超新星）的宇宙线。一个人每年大概都暴露在0.2雷姆的这种辐射下，那比你从自己体内摄取的辐射剂量大得多。
    这一自然辐射剂量当然会诱发某些癌变。经过50年，你每年暴露的0.2雷姆将累积到10雷姆。根据线性效应假说，由这一辐射导致的预期癌变率为10/2500 = 0.04 = 0.4%。这比20%的观测值小得多，所以我们可以断言，自然癌变不是源于环境辐射。
    放射性的安全水平是多少呢？如果线性假说成立，那么即使很低的剂量也会增大癌变风险。如果假说错了，那么低于6雷姆的辐射就是完全安全的。例如，在美国丹佛，因为天然氡的存在，生活在那儿的人每年暴露的辐射比纽约高0.1雷姆。对那儿生活50年的240万人来说，这个额外的辐射总量为0.1 ? 2 400 000 ? 50 = 12 000 000，即1200万雷姆，足以导致额外的4800例癌变。这比切尔诺贝利核事故产生的预期癌变人数高得多。但事实证明，尽管有辐射，丹佛的癌变死亡人数低于美国其他地方。
   
可怕的变异

    辐射不仅引发疾病和癌症，还做其他坏事。早期实验表明，高强度的辐射可以在昆虫中引发可怕的变异。这一发现激发了一批恐怖电影。我特别记忆犹新的是《它们》（1954年）中的大如火车的蚂蚁，《深海怪兽》（1953）和《哥斯拉》（1954）中的巨型爬行动物。在原来的喜剧中，蜘蛛人被一只放射性蜘蛛咬了，产生了变异，而在最近的电影中，化身取代了遗传工程的蜘蛛。这些变异真的危险吗？
    在高级动物（哺乳动物、蜥蜴和鱼等）身上，没有发现类似的变异。根据2006年国家科学院报告，广岛和长崎的儿童受害者没表现明显增加的生长缺陷。但在公众想象里变异太多了。
     我们没有在高等动物身上发现惊悚片里的变异，这个事实并不意味着有害的变异不会发生。胎儿特别脆弱，联合国原子辐射科学委员会（UNSCEAR）研究了这一危险（UNSCEAR的报告见www.unscear.org/docs/reports/annexj.pdf ）。报告认为，每一雷姆的暴露下，胎儿的风险大约是3%，是暴露在1雷姆下的成人风险的75倍。所以我们忠告孕妇要避免辐射。某个干细胞（能转变成其他细胞的细胞）的变异可以引发智力迟钝、畸形生长或癌症，但结果通常是自然流产。
    2003年出品的一部题为《切尔诺贝利之心》的纪录片，将切尔诺贝利地区的大量出生缺陷归咎于那次事件的辐射。大多数专家认为这部影片没有准确反映事情的真相，因为其他同样的暴露（如广岛和长崎）并未引发类似的问题。举例来说，影片里表现的那些病，很可能一直就在当地流行——也许因为那儿的人都爱抽烟喝酒，但只是在当地因为切尔诺贝利事故而受到医学重视时，才向外界报道出来。因为电影不是科学研究，制片人没有义务呈现不同的解释。

X射线与微波

    X射线是我们熟悉的一种辐射。有人因为害怕辐射而拒绝给牙照X光，你可以问任何一个牙医看看。假如你同意照X光，卫生人员会给你戴上铅围裙，将X光机靠近你的头，离开房间。你会听到短暂的嗡嗡声，然后看见卫生人员回来。
    尽管看起来煞有介事，给牙照X光却令人惊讶地安全。这些过程会让某些病人感觉更舒坦，但也会吓坏另一些人。辐射剂量很小，小于1/1000雷姆，不如你在自然辐射下生活两天摄取的量。孕妇是不是应该避免这种X光呢？毕竟腹中的胎儿太脆弱了，照X光显然不是一件安全的事情。但铅毯可以保护胎儿。通过照X光获取的知识也许还能克服一系列牙问题，而它们在原则上会对未出生的胎儿产生更大的危害。
      部分X光恐惧来自历史经验。过去的辐射剂量较大。小时候我住在纽约南布朗克斯区，曾在一家鞋店，在图9.2那样的荧光镜下给脚照过X光。我双脚接收的辐射大约是50雷姆，是我今天照牙X光的50 000倍。假如线性假说是对的，那么我仅仅光顾一次鞋店，癌变的几率就从正常的20％增大到了20.1％。科学家在那时就警告要小心癌变的危险，但很多官员迟迟不关闭那些机器，因为公众太喜欢它们了。我甚至觉得不该把我在那家鞋店的事情讲出来。我发现这次经历很有意思，是我儿时记忆中最生动的事情之一。也许因为看见我的脚趾头不停扭动，清楚看见鞋子里的一颗颗小钉子，这些离奇的画面激发了我成为一名物理学家。
    X光其实是一种高能光子，其携带的能量比普通光高25 000倍。X光可以轻易穿透水和碳，就像可见光穿过玻璃一样，但它们会很快被重元素（如钙和铅）等阻挡。X光照片其实就是牙或骨头投射在胶片上的影像图。钙缺失的地方（例如牙溃烂或骨折的地方）允许更多X光通过，因而使胶片暗淡。在牙医的毯子里有一层厚厚的铅，可以保护你的身体（就像铅板抵挡超人的X光视线的透视）。
    很多人还担心手机的微波辐射。微波与X射线不同，X射线是高能的光子，而微波是能量极低的光子。它们以热量的形式存储能量，那也是它们在微波炉的作用。它们不会粉碎体内的DNA分子（除非它们真的燃烧并把物质烧焦），因而不会像X光和其他高能辐射（甚至阳光）那样引发癌变风险。主要危险在于热。人们对微波的恐惧，无疑主要来自它们与其他更危险形式的辐射（如伽玛辐射）享有共同的名字。有些人将这种恐惧转移到手机辐射，根源不在物理学，而在语言学。

雪中送炭、久旱逢雨，我企盼这样的好文章回答疑问！！！

原来是这样的！！