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光子与辐射
时间 : 2015-12-31     

■何俊/文

  光子,又称“光量子”,是光和其它电磁辐射的量子单位。一般认为光子是没有质量的,有些理论中允许光子拥有非常小的静止质量,这样光子会最终衰变成一种质量更轻的粒子。如果这种衰变是确实可能的,光子就是有寿命的,据最新研究表明其寿命为10的18次方年,甚至比宇宙的寿命都长,真正可以说得上是万世不灭。

  平常我们所说的光大多数指可见光,红橙黄绿蓝锭紫是光子波长在400nm~ 780nm 范围内的光子,其基本的参数之一就是波长,不同波长的光子性质千差万别。图一是电磁波谱图。从中我们可以看到,波长最短的伽马射线仅为千分之一纳米,而最长的无线电波波长长达数十米,医院里CT机的X射线波长在1纳米左右。用来杀菌消毒的紫外线比可见光波长短,烤箱产生的用来加热食物红外线的波长则比可见光波长,此外还有微波炉产生的波长为厘米量级,而收音机接受的短波波长为米量级。

  

   

  图1:电磁波谱图

  辐射是指一种能量传播的方式,比如说热辐射就是指物体以往外发射光子的形式放出能量,我们的太阳就是一个超级辐射源,为人类提供了各种形式的能源。辐射是一个中性词,但是留在人们心中的辐射常常是指那些对人体会造出伤害,即造成不好的生物效应的辐射。通常辐射出来的粒子,可以是光子,也可以是带电的粒子,比如α粒子,它是氦原子丢失了外层电子的原子核部分,β粒子则是电子,而伽马粒子则是上面的电磁波谱图中的提到的高能光子,可见光也是辐射的一种。

  我们再来看看辐射发生的原因。世界外物都是由原子核和电子组成,原子核是由不带电的中子和带电的质子组成,通常一个原子核中的质子和中子的数量大致相等,当两者差别较大时,不管是中子太多还是质子太多时,原子核会变得不稳定,它便会通过辐射的方式放出多余的能量,这个过程称之为放射性衰变。包含不稳定性的原子的物质称为放射性材料,它可以是天然的矿石,可也是人工合成物质。正是辐射的这种特性,光子和其他辐射粒子的发射经常伴随着物质在两个不同能级的跃迁,辐射出粒子的能量就等于两个能级的差。可见光的能量落在半导体材料的电子能级范围(几个电子伏特),所以半导体材料可用来制造LED。具有较高能量的光子比如x射线的发生通常伴随着电子能级跃迁,而能量更高的γ射线则是伴随着原子核能级跃迁。由此可知无线电波、可见光、X射线、伽马射线它们并无本质区别,都处于有高能量状态的物质往低能量状态转变发出的粒子,它们之间的差别是可见光能量较低,对人体的伤害较小,而高能的伽马射线能量较高,对人体的伤害也较大。

  我们可以用一堆火的例子来理解光子、辐射、放射性材料。当我们点燃篝火,木材会发热发光,这就是一种辐射。放射性材料就是以发射粒子或者波的形式辐射能量,这里的木材就是放射性材料。引起人们恐慌的原因之一是辐射的粒子几乎都是人的肉眼看不到的,它们大多数不可能通过人的感觉器官感知,等到人体可以感知的程度的时候时,辐射已经对人体产生了不可逆转的伤害了。因此我们需要借助各种不同类型的探测器才能知道辐射的存在。

  光子作为辐射的一种,根据其能量不同对人体的伤害程度也不同,衡量这种伤害程度的物理量有很多,比如吸收剂量、剂量当量、有效剂量等。吸收剂量表示单位质量介质中吸收的能量即1J/kg= 1 Gy=100 rad。人体对不同的辐射粒子反应不同,上文提到的α,β,γ三种粒子中,α对人体伤害较大,其权重因子为β,γ的20倍,其单位为1J/kg= 1Sv=100 rem。常见的四种辐射粒子的权重因子如表1所示,权重因子就反应了不同类型的辐射对人体的伤害程度。吸收剂量乘以权重因子就是剂量当量,剂量当量乘以反应人体的不同部位的组织权重因子WT就是有效剂量。皮肤的权重因子为0.01,肝的为0.05,性腺的为0.2,权重因子越大表示对辐射越敏感。粒子的权重因子和人体组织权重因子都是无量纲的。

  表1:不同粒子的辐射权重因子

辐射类型和能量范围 

辐射权重因子WR 

α粒子、裂变碎片、重核 

20 

β粒子,所有能量 

1 

γ粒子,其它能量光子 

1 

中子,能量<10keV 

5 

10 keV~ 100keV 

10 

100keV~2MeV 

20 

2MeV~20 MeV 

10 

20 MeV 

5 

  全世界不同地区的人所受的辐照剂量是不同的,据统计资料显示美国人每年接受的辐射剂量为6.2mSv,而日本则为2.40mSv,这些剂量主要来源有氡元素(存在于空气和土壤中)、宇宙射线、医学CT等。图二是主要的剂量来源及其所占比例,从中可以看出我们受到天然辐射和人造辐射的剂量大致相等。个人剂量最大比例的依次是氡元素、包括CT在内医学检查、服用放射性药物等。图三则列举了一些日常生活中的有效剂量,其中做一次胸肺X光片的剂量是0.05mSv,电脑断层扫描的剂量为6.6mSv,放射性行业从业人员每年的剂量限制为20mSv。

   

  图2:美国背景辐射分布

   

  图3:日常生活中的辐射剂量

  再来说说辐射对人体的影响,我们关于辐射对人体的影响的知识主要来源于短时间内大剂量引起反应,而对于长期低剂量辐射有可能会引起致癌率的增加并不高,据资料显示自然致癌死亡率为20%,而从事放射性职业引起的比例增加仅为1%。辐射引起的遗传变异也仅仅是在动植物上发现,并没有在人类身上发现。胎儿在接受高剂量辐射时会产生各种包括智力迟缓在内的伤害,这一现象也是只在超过150mSv时发现。相对于生活中其它可能对人体造成的伤害的活动来说,辐射的影响小得可以忽略。图4是美国得出的关于各种活动引起的寿命缩短的统计数据,从中我们可以看到70年1mSv的剂量引起的寿命缩短仅为10天,仅和喝咖啡相当,由此可见我们大可不必谈“辐”色变。

   

  图4:日常生活对寿命的影响的对比(美国)