李泳的博客之三——生活中的核輻射

      日本的核輻射危機還沒解除，我們接著聽Muller教授給未來總統(tǒng)的物理課。
      輻射會消失，不過要等很長時間。有的危險輻射，例如碘131的輻射，只持續(xù)幾個星期。钚令人色變，因為它的輻射能持續(xù)24 000年，而鉀40——在血液和肉類（特別是香蕉）中發(fā)現(xiàn)的一種重要放射性原子——會持續(xù)10億年！我們是該怕壽命長的原子還是怕短的呢？
    問題很復(fù)雜，但也不算太復(fù)雜。一個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，它隨時間衰減。正因為這個，人們常稱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間。下面列舉了一些有關(guān)決策問題的原子的半衰期：

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            鐳（Ra）226：1620年    鈉（Na）24：15小時       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，但它的輻射會持續(xù)幾個星期，這很容易理解，因為“半衰”不等于消失。經(jīng)過半衰期8天后，輻射消失了一半。你可能以為經(jīng)過兩個半衰期，所有輻射都將消失，那是不對的。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。即使它們開始第二個半衰期，在那個期間也可能只有50％的幾率衰變。經(jīng)過第二個半衰期后，初始原子的25％會消失。再經(jīng)過一個半衰期，它們的一半也將消失，原子數(shù)量減小到原先的12.5％。因為只有12.5％的放射性原子留下來，輻射也降到原先水平的12.5％。然后是6.25％，如此下去。經(jīng)過10個半衰期（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10個半衰期（共20個半衰期），殘余量就只有原先的百萬分之一。
     這里的關(guān)鍵是，經(jīng)過一個半衰期后，輻射的危險降低1/2，但它還能延續(xù)很多個半衰期。只要還有最后一個原子沒爆炸，放射性就不可能完全消失。但減小10億倍（經(jīng)過30個半衰期）后，大多數(shù)輻射都不可能探測，通常也就沒有危害了。
     讓我們再回來看看碘。它之所以那么危險，部分原因是它衰變太快，在很短時間內(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（無放射性的碘）。你的甲狀腺碘飽和了，有足夠的無害碘供給，就不會再吸收更多的碘。所以要服用碘片，把放射性碘趕出你的甲狀腺。你只需要堅持服用幾個星期，因為大部分放射性碘都將在那段時間里衰變、消失。
    有人誤以為碘片還能抵御來自核反應(yīng)堆的廢料。其實沒用，因為核廢料的放射性并不來自碘。如果廢料堆幾個月，那么所有放射性碘都已經(jīng)衰變了。核廢料的危險來自半衰期更長的原子。我們還是回到原先的問題。哪種半衰期的危險性最大，長的還是短的？結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者都不是。

長短半衰期的危險性比較

     在一次核事故中，最危險的物質(zhì)通常不是半衰期很短或很長的，而是半衰期不長不短的。那是因為，半衰期短的原子很快就消失，而半衰期長的原子需要漫長時間衰變，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；同時又足夠長（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。假如半衰期為一個星期，他可能覺得太快。他又不想半衰期太長，那樣的話，被害者也許不會很快因為大劑量死去。所以，謀殺者大概覺得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，這么長的半衰期不像鍶90那么危險。然而，對核廢料儲藏特別是核反應(yīng)堆來說，它是一道難題，因為衰變的時間太長了。
    氚（氫的放射性同位素）用來造手表的夜光管，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，因為氚發(fā)出的電子沒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，要小心鐳表，它們的伽瑪射線很容易跑出表殼。
    現(xiàn)在考慮長半衰期的鈾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，因為它正好是在一個半衰期前生成的。用于制造原子彈的鈾235的半衰期要短一些，大約7億年。如果它是同時生成的，那么已經(jīng)過了6個半衰期，只剩原來的1/64。實際上，現(xiàn)存鈾235的總量比那個值略低，說明它在生成時不如鈾238豐富。
   
    人體內(nèi)最大的輻射源之一是碳14，有時也稱放射性碳（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（高能電子），損害周圍的細(xì)胞。我們與這些體內(nèi)放射性共存，它是每個生物的一部分。它是自然的，有機的，但和人為輻射一樣有害。
    當(dāng)人死了，不再吃食物，碳14衰變了就不會有更新。如果考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)一塊化石，測量其放射性是生物的一半，那么他就知道那個生物是在一個半衰期前死亡的——也就是5730年前。這種方法是考古學(xué)中測定年齡的基本方法。如果放射性只有自然水平的四分之一，那么化石就有2個半衰期那么老。碳14可以用來測10個半衰期左右的年齡——大約57 300年。
     在美國，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多個碳14半衰期之前就死亡了的生物形成的，因而不會包含可測的放射性碳14。這就為美國政府檢驗是否用石油造酒提供了一個簡單的方法。美國酒精煙草火器與炸藥管理局就檢驗酒精飲料里的碳14，如果存在預(yù)期水平的輻射，則飲料通過檢驗。如果酒精沒有放射性，檢驗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，而化石燃料沒有?；械奶?font face="Times New Roman">14的天然放射性早就消失了。生物燃料的放射性非常微弱，不會產(chǎn)生任何危害，但也提供了一個簡易的方法，測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，你周圍的世界也有。我們遭遇的多數(shù)輻射來自自然資源：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。另外，我們還遭遇很多來自太空的輻射——來自遙遠(yuǎn)的爆炸恒星（叫超新星）的宇宙線。一個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)然會誘發(fā)某些癌變。經(jīng)過50年，你每年暴露的0.2雷姆將累積到10雷姆。根據(jù)線性效應(yīng)假說，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？如果線性假說成立，那么即使很低的劑量也會增大癌變風(fēng)險。如果假說錯了，那么低于6雷姆的輻射就是完全安全的。例如，在美國丹佛，因為天然氡的存在，生活在那兒的人每年暴露的輻射比紐約高0.1雷姆。對那兒生活50年的240萬人來說，這個額外的輻射總量為0.1 ? 2 400 000 ? 50 = 12 000 000，即1200萬雷姆，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。但事實證明，盡管有輻射，丹佛的癌變死亡人數(shù)低于美國其他地方。
   
可怕的變異

    輻射不僅引發(fā)疾病和癌癥，還做其他壞事。早期實驗表明，高強度的輻射可以在昆蟲中引發(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）中的大如火車的螞蟻，《深海怪獸》（1953）和《哥斯拉》（1954）中的巨型爬行動物。在原來的喜劇中，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。這些變異真的危險嗎？
    在高級動物（哺乳動物、蜥蜴和魚等）身上，沒有發(fā)現(xiàn)類似的變異。根據(jù)2006年國家科學(xué)院報告，廣島和長崎的兒童受害者沒表現(xiàn)明顯增加的生長缺陷。但在公眾想象里變異太多了。
     我們沒有在高等動物身上發(fā)現(xiàn)驚悚片里的變異，這個事實并不意味著有害的變異不會發(fā)生。胎兒特別脆弱，聯(lián)合國原子輻射科學(xué)委員會（UNSCEAR）研究了這一危險（UNSCEAR的報告見www.unscear.org/docs/reports/annexj.pdf ）。報告認(rèn)為，每一雷姆的暴露下，胎兒的風(fēng)險大約是3%，是暴露在1雷姆下的成人風(fēng)險的75倍。所以我們忠告孕婦要避免輻射。某個干細(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)專家認(rèn)為這部影片沒有準(zhǔn)確反映事情的真相，因為其他同樣的暴露（如廣島和長崎）并未引發(fā)類似的問題。舉例來說，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因為那兒的人都愛抽煙喝酒，但只是在當(dāng)?shù)匾驗榍袪栔Z貝利事故而受到醫(yī)學(xué)重視時，才向外界報道出來。因為電影不是科學(xué)研究，制片人沒有義務(wù)呈現(xiàn)不同的解釋。

X射線與微波

    X射線是我們熟悉的一種輻射。有人因為害怕輻射而拒絕給牙照X光，你可以問任何一個牙醫(yī)看看。假如你同意照X光，衛(wèi)生人員會給你戴上鉛圍裙，將X光機靠近你的頭，離開房間。你會聽到短暫的嗡嗡聲，然后看見衛(wèi)生人員回來。
    盡管看起來煞有介事，給牙照X光卻令人驚訝地安全。這些過程會讓某些病人感覺更舒坦，但也會嚇壞另一些人。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。通過照X光獲取的知識也許還能克服一系列牙問題，而它們在原則上會對未出生的胎兒產(chǎn)生更大的危害。
      部分X光恐懼來自歷史經(jīng)驗。過去的輻射劑量較大。小時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。假如線性假說是對的，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)家在那時就警告要小心癌變的危險，但很多官員遲遲不關(guān)閉那些機器，因為公眾太喜歡它們了。我甚至覺得不該把我在那家鞋店的事情講出來。我發(fā)現(xiàn)這次經(jīng)歷很有意思，是我兒時記憶中最生動的事情之一。也許因為看見我的腳趾頭不停扭動，清楚看見鞋子里的一顆顆小釘子，這些離奇的畫面激發(fā)了我成為一名物理學(xué)家。
    X光其實是一種高能光子，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，就像可見光穿過玻璃一樣，但它們會很快被重元素（如鈣和鉛）等阻擋。X光照片其實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，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光視線的透視）。
    很多人還擔(dān)心手機的微波輻射。微波與X射線不同，X射線是高能的光子，而微波是能量極低的光子。它們以熱量的形式存儲能量，那也是它們在微波爐的作用。它們不會粉碎體內(nèi)的DNA分子（除非它們真的燃燒并把物質(zhì)燒焦），因而不會像X光和其他高能輻射（甚至陽光）那樣引發(fā)癌變風(fēng)險。主要危險在于熱。人們對微波的恐懼，無疑主要來自它們與其他更危險形式的輻射（如伽瑪輻射）享有共同的名字。有些人將這種恐懼轉(zhuǎn)移到手機輻射，根源不在物理學(xué)，而在語言學(xué)。

雪中送炭、久旱逢雨，我企盼這樣的好文章回答疑問?。?！

原來是這樣的??！