周曉松

＃物理·技術(shù)·社會(huì)＃

認(rèn)識(shí)身邊的電離輻射
——基于理論和實(shí)踐的研究性學(xué)習(xí)案例

周曉松

（上海市莘莊中學(xué)，上海 201199）

電離輻射和電磁輻射有何差異？如何準(zhǔn)確測(cè)量我們身邊的電離輻射強(qiáng)度？又應(yīng)該如何理性分析并客觀評(píng)估生活中的電離輻射對(duì)我們自身的影響？筆者帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)研究、實(shí)驗(yàn)探索等一系列研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，得到了有關(guān)上述問(wèn)題的初步研究成果．

電離輻射；劑量當(dāng)量；智能化X－γ輻射儀

1 引言

電離輻射彌漫在我們生活的客觀世界而無(wú)法被我們的感官所感知、所觀測(cè)．在利用其射線服務(wù)人類的同時(shí)也同樣會(huì)對(duì)我們的身體產(chǎn)生傷害．因此，有必要針對(duì)電離輻射進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)探索，以廓清概念涵義，揭開(kāi)神秘面紗，使我們的物理教學(xué)更接近客觀的自然世界．

2 兩種輻射概念的聯(lián)系和區(qū)別

2．1 電磁輻射（electromagnetic radiation）［1］

電磁輻射即電磁波輻射．電磁波有兩個(gè)相互垂直的、分別傳遞電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波，光也是電磁波．電磁輻射能量取決于其波長(zhǎng)．具有輻射損傷作用的是短波長(zhǎng)的較高能量的電磁波，如紫外線、X射線、γ射線等．

2．2 電離輻射（ionizing radiation）［1］

指能引起被作用物電離的高能輻射．一些高能電磁波，如X射線、γ射線和幾乎所有的粒子輻射，都能直接或間接地將被作用物質(zhì)的軌道電子打出而引起電離．

2．3 比較研究

（1）電磁輻射概念界定的核心是射線的物質(zhì)組成．可見(jiàn)，電磁輻射的成分單一，部分波段的電磁波可以產(chǎn)生輻射損傷，即電離．因此有的資料也將電磁輻射分為“電離輻射”和“非電離輻射”．

（2）電離輻射概念界定的焦點(diǎn)則是對(duì)被作用物造成的影響和后果．通俗地說(shuō)，電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的所有輻射的總稱．相比較電磁輻射，電離輻射的成分則要復(fù)雜得多，可以依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類表述：既可以分為“電磁輻射”和“非電磁輻射”，也可以分為“場(chǎng)輻射”和“粒子輻射”，甚至還可以分為“帶電輻射”和“中性輻射”以及“核輻射”和“非核輻射”等等．

（3）和電磁輻射相似，電離輻射也是一把雙刃劍．人們既可以利用其射線有目的、可控制地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、各類產(chǎn)業(yè)和日常生活用品的生產(chǎn)制作以及醫(yī)學(xué)診斷治療，也可能會(huì)在不經(jīng)意間遭受其射線的無(wú)意識(shí)傷害，導(dǎo)致人的正常機(jī)體產(chǎn)生化學(xué)鍵斷裂、基因突變、染色體畸變等負(fù)面效應(yīng)．

界定角度的不同，導(dǎo)致電磁輻射和電離輻射這兩個(gè)概念既非并列關(guān)系，也非隸屬關(guān)系．事實(shí)上，正因?yàn)檫@兩個(gè)概念有著本質(zhì)的差異，因此表征兩種輻射的物理量及其單位和方式也完全不同．若要客觀、全面地認(rèn)識(shí)電離輻射，有必要首先了解有關(guān)電離輻射的基本知識(shí)．

3 電離輻射的表征、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量

描述電離輻射的物理量較為復(fù)雜．以下將在文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要闡釋表征電離輻射屬性的物理單位和測(cè)量技術(shù)，并從電離輻射對(duì)人體生物組織危害程度的角度，結(jié)合《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB18871—2002）電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》）的解讀，做一簡(jiǎn)要介紹．如無(wú)說(shuō)明，以下輻射均指電離輻射．

3．1 表征輻射的物理量

我們知道，不同類型的輻射射線產(chǎn)生的機(jī)理各不相同：高頻電磁波源于原子內(nèi)層電子或原子核的受激輻射，如X射線、γ射線；部分輻射則是被電場(chǎng)加速的離子束；更多的則是各種核反應(yīng)產(chǎn)生的“副產(chǎn)品”，如α、β以及中子等高能粒子射線．物理屬性迥異的各種射線，之所以能夠統(tǒng)一歸類在同一概念的名下，顯然是因?yàn)樗鼈兙哂泄餐奈锢硖匦?，那就是：射線具有的能量足以使被作用物質(zhì)的中性分子或原子發(fā)生電離，并產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)．

正因?yàn)檩椛湫?yīng)的多樣性，導(dǎo)致了表征輻射各種屬性的物理量和單位的復(fù)雜性．在這里，我們將在關(guān)注輻射物理屬性的基礎(chǔ)上，更多地關(guān)注描述輻射生物學(xué)效應(yīng)的物理量及其單位．

（1）吸收劑量：［2］單位質(zhì)量吸收體所吸收的輻射能量，用D表示，其國(guó)際單位是戈瑞（Gy）：

1戈瑞＝1焦耳／千克，即1Gy＝1J／kg，

常用單位毫戈瑞（mGy）或微戈瑞（μGy）．相應(yīng)的，吸收劑量率——單位時(shí)間吸收劑量的常用單位是：微戈瑞／時(shí)（μGy／h）．

（2）劑量當(dāng)量：［2］不同類型的輻射，例如γ射線和中子束，可能具有相同的能量，但是它們產(chǎn)生的生物效應(yīng)卻不相同．綜合表示各種輻射生物學(xué)效應(yīng)的吸收劑量稱為劑量當(dāng)量，用H表示．劑量當(dāng)量H與吸收劑量D的關(guān)系為H＝DQN．其中，Q稱為輻射品質(zhì)因素（也稱輻射權(quán)重因子），表示在吸收劑量D相同時(shí)，各種輻射射線的相對(duì)危害程度．N是修正因數(shù)，當(dāng)輻射來(lái)自生物體外部時(shí)，即所謂“外照射”時(shí)，N＝1．本文研究的各種輻射案例均屬于“外照射”情景．劑量當(dāng)量的國(guó)際單位是希沃特（Sv），

1希沃特＝1焦耳／千克，即1Sv＝1J／kg，常用單位毫希沃特（mSv）或微希沃特（μSv）．同樣的，劑量當(dāng)量率——單位時(shí)間劑量當(dāng)量的常用單位是：微希沃特／時(shí)（μSv／h）．

（3）兩點(diǎn)說(shuō)明：①吸收劑量D和劑量當(dāng)量H的物理意義都是單位質(zhì)量吸收的輻射能量，兩者國(guó)際單位制的量綱相同．區(qū)別在于：吸收劑量具有絕對(duì)性，體現(xiàn)輻射的物理特征；而劑量當(dāng)量則具有相對(duì)性，兼有輻射的生物效應(yīng)，可以更加準(zhǔn)確地反映各種類型的輻射射線對(duì)人體影響程度的差異．②部分射線的輻射品質(zhì)因素Q參見(jiàn)表1．［3］由表1可見(jiàn)，高能中子的品質(zhì)因素反而相對(duì)更?。@是因?yàn)檫@類中子的速度更快、與其他原子核發(fā)生相互作用的幾率反而更小，因而對(duì)人體的影響也就較?。@便是最早由美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米發(fā)現(xiàn)的著名的“慢中子”現(xiàn)象．此外，表1還告訴我們一個(gè)客觀事實(shí)：高速α粒子的穿透本領(lǐng)弱，不能穿透人的皮膚，只能產(chǎn)生灼傷效果．但是，如果含有α射線的輻射源通過(guò)呼吸道或消化道進(jìn)入人體，則會(huì)發(fā)生可至嚴(yán)重后果的“內(nèi)照射”傷害．

表1 部分射線品質(zhì)因素

3．2 《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》解讀

《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》是經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化主管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，于2002年10月8日發(fā)布、2003年4月1日實(shí)施的國(guó)家法律法規(guī)規(guī)定強(qiáng)制執(zhí)行的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)．《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》既是檢測(cè)和評(píng)價(jià)環(huán)境是否達(dá)標(biāo)的法律條文，也是規(guī)范和約束人們?nèi)粘Ｐ袨榈恼叻ㄒ?guī)，當(dāng)然，更是一份權(quán)威的科學(xué)知識(shí)宣傳和普及的專業(yè)文本．在此，摘錄其中部分條款作為本文參考依據(jù)：

（1）條款4劑量當(dāng)量限值：［4］應(yīng)對(duì)個(gè)人受到的正常照射加以限制，以保證個(gè)人接受的總劑量當(dāng)量不超過(guò)規(guī)定的相應(yīng)劑量當(dāng)量限值（以下簡(jiǎn)稱規(guī)定限值）：① 普通居民不應(yīng)超過(guò)5毫希沃特／年（5mSv／a）．②工作人員職業(yè)照射水平連續(xù)5年年平均有效劑量不應(yīng)超過(guò)20mSv，任何一年不應(yīng)超過(guò)50mSv．

（2）條款7醫(yī)療照射的控制：［4］關(guān)于醫(yī)療照射正當(dāng)性判斷的一般原則是：僅當(dāng)通過(guò)權(quán)衡利弊，證明醫(yī)療照射給受照個(gè)人或社會(huì)帶來(lái)的利益大于可能引起的輻射危害時(shí)，該醫(yī)療照射才是正當(dāng)?shù)模?yīng)注意避免不必要的重復(fù)檢查．對(duì)婦女及兒童施行放射學(xué)或核醫(yī)學(xué)檢查的正當(dāng)性更應(yīng)慎重進(jìn)行判斷．

3．3 輻射檢測(cè)儀簡(jiǎn)介

輻射檢測(cè)儀的種類和型號(hào)多達(dá)數(shù)十余種．上海市二期課改教材介紹的檢測(cè)儀分屬兩種類型．一種是充氣計(jì)數(shù)器：利用輻射射線通過(guò)氣體使其電離從而探測(cè)輻射強(qiáng)度的探測(cè)器，如蓋革－米勒計(jì)數(shù)器、威爾遜云室等，主要用來(lái)定性檢測(cè)輻射的相對(duì)強(qiáng)弱，不能或不便定量測(cè)定輻射的類型和能量．還有一種則是閃爍計(jì)數(shù)器，由閃爍體——吸收高能粒子或射線后能夠發(fā)光的材料、光電倍增管和電子線路組成：［1］當(dāng)一個(gè)高能粒子（或高頻電磁波）射入閃爍體中時(shí)，使其中的原子激發(fā)而發(fā)出一次閃光，此閃光經(jīng)光電倍增管接收、放大并轉(zhuǎn)換為電脈沖輸出，再由電子儀器記錄下來(lái)．根據(jù)脈沖的大小，可以測(cè)定粒子的能量．

教材S－T－S欄目“新型探測(cè)儀”中介紹的智能化X－γ輻射儀（以下簡(jiǎn)稱輻射儀），屬于第二種類型．本文案例研究所使用的檢測(cè)儀便是此類款式．

表2

4 研究性學(xué)習(xí)案例

教材引進(jìn)新型探測(cè)輻射儀，一方面體現(xiàn)了教材密切關(guān)注并及時(shí)展示科學(xué)技術(shù)最新成果的與時(shí)俱進(jìn)的教育理念，另一方面也體現(xiàn)了物理與科學(xué)技術(shù)的密切聯(lián)系，當(dāng)然，也為教師創(chuàng)造性地進(jìn)行教材二次開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐，更為廣大中學(xué)生打開(kāi)了一扇認(rèn)識(shí)和研究世界的天窗．

以下便是在教師指導(dǎo)下，本研究課題的學(xué)生針對(duì)身邊的輻射現(xiàn)象進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的4個(gè)案例．其中，輻射儀的參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率1Hz；采樣時(shí)間30s，即每次檢測(cè)30個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)以求平均值；檢測(cè)單位：微希沃特／時(shí)（μSv／h）；報(bào)警閾值0．25μSv／h，即輻射儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)一旦達(dá)到或超過(guò)該報(bào)警閾值便會(huì)發(fā)出報(bào)警警報(bào)．

案例1：上海某高中校園的本底輻射．

檢測(cè)對(duì)象：校園公共場(chǎng)所4個(gè)樣本．如圖1．

圖1

檢測(cè)數(shù)據(jù)：4個(gè)樣本的檢測(cè)數(shù)據(jù)漲落均不明顯，均沒(méi)有報(bào)警警報(bào)．所測(cè)每個(gè)樣本的平均值和4個(gè)樣本的總平均值參見(jiàn)表2．

檢測(cè)結(jié)論：分析表2數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論．

（1）3個(gè)室內(nèi)樣本檢測(cè)平均值大約是室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)樣本平均值的2～3倍．相對(duì)封閉的空間、堆砌的建筑材料及聚集的放射性氣體氡等諸因素，是導(dǎo)致室內(nèi)特別是地下停車庫(kù)檢測(cè)數(shù)據(jù)偏高的主要原因．

（2）估算上海地區(qū)人均年本底輻射劑量當(dāng)量．綜合考慮人的活動(dòng)區(qū)域和范圍，參考表2四個(gè)樣本的平均劑量當(dāng)量率，每人每年接受的本底輻射劑量當(dāng)量為

遠(yuǎn)小于《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于普通居民5mSv／a的規(guī)定限值，說(shuō)明我們的校園是安全的．

案例2：公共交通安檢儀的輻射．

檢測(cè)對(duì)象：上海地鐵一號(hào)線某地鐵站GJ－XS6550型X射線安檢儀（以下簡(jiǎn)稱安檢儀）．如圖2．

圖2

檢測(cè)數(shù)據(jù)：共進(jìn)行3個(gè)樣本、4個(gè)步驟的檢測(cè)．檢測(cè)情況參見(jiàn)表3．

表3

檢測(cè)結(jié)論：表3中的檢測(cè)情況反映了以下客觀事實(shí)．

（1）樣本1數(shù)據(jù)說(shuō)明，安檢儀的存在并不影響售票大廳的輻射環(huán)境狀況．

（2）樣本2所測(cè)峰值數(shù)據(jù)均是在有行李放入、橡膠隔離柵欄被掀起時(shí)測(cè)得的．一方面說(shuō)明橡膠隔離柵欄確能起到良好的隔離屏蔽作用；另一方面也提醒我們?cè)诜湃胄欣顣r(shí)應(yīng)盡量避免身體的正面正對(duì)安檢儀入口．

（3）旅客每一次通過(guò)安檢儀接受的輻射劑量當(dāng)量值．設(shè)普通旅客放入行李、通過(guò)安檢儀的時(shí)間為2s，遭受因橡膠隔離柵欄被行李掀起而導(dǎo)致X射線外溢的輻射峰值數(shù)據(jù)為例，該旅客一次性接受的輻射劑量當(dāng)量為

再設(shè)每年平均250個(gè)工作日、每天通過(guò)安檢儀2次、每位旅客每次通過(guò)安檢儀的時(shí)間為2s，則地鐵上班族1年因頻繁通過(guò)安檢儀而額外接受到的輻射劑量當(dāng)量為

參考案例1每人每年接受的本底輻射劑量當(dāng)量0．964mSv／a，該旅客接受的年劑量當(dāng)量約為0．965mSv／a，總量仍遠(yuǎn)小于規(guī)定限值．

（4）安檢人員接受的輻射劑量當(dāng)量．以每年平均250個(gè)工作日、每天工作8h、樣本2所測(cè)平均值0．52μSv／h為例，安檢工作人員一年共接受的安檢儀輻射劑量當(dāng)量為

同樣加上該安檢員接受的人均年本底輻射劑量當(dāng)量，總劑量當(dāng)量達(dá)2．00mSv，仍小于《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于工作人員職業(yè)照射水平連續(xù)5年年平均有效劑量不應(yīng)超過(guò)20mSv、任何1年不應(yīng)超過(guò)50mSv的規(guī)定限值．

（5）樣本3和4，即書(shū)包前后兩次的檢測(cè)結(jié)果表明，書(shū)包經(jīng)過(guò)安檢儀前后的檢測(cè)數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有差別，都在正常的售票大廳本底輻射范圍內(nèi)，說(shuō)明被X射線輻射過(guò)的物品不會(huì)因此而產(chǎn)生新的、更強(qiáng)的輻射．

案例3：高中物理實(shí)驗(yàn)室輻射源的輻射．

檢測(cè)對(duì)象：安全教學(xué)放射源和正常工作狀態(tài)下的陰極射線管．如圖3．

圖3

檢測(cè)數(shù)據(jù)：2個(gè)樣本的檢測(cè)情況見(jiàn)表4．

表4 實(shí)驗(yàn)室樣本檢測(cè)均值

檢測(cè)結(jié)論：通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室的輻射源有以下特點(diǎn)．

（1）安全教學(xué)放射源之所以安全，是因?yàn)槠漭椛鋭┝慨?dāng)量率的均值比教室環(huán)境的本底輻射均值稍有增大，但仍不超過(guò)輻射儀的最低報(bào)警閾值．

（2）陰極射線管在正常工作時(shí)產(chǎn)生的X射線足以能夠達(dá)到或超過(guò)檢測(cè)儀預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值．考慮到本實(shí)驗(yàn)操作人員接受輻射的時(shí)間較短，一般不會(huì)因此產(chǎn)生不良后果．

（3）同樣地，有條件時(shí)還可以針對(duì)威爾遜云室放射源的輻射強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)研究．

案例4：來(lái)自醫(yī)療診斷的輻射．

醫(yī)院放射醫(yī)療室是封閉式特殊場(chǎng)所，不可能獲得直接的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)．因此本案例采用的是理論數(shù)據(jù)檢索和比較分析研究的方法．

研究對(duì)象：接受X射線檢查的受檢者．

研究數(shù)據(jù)：以下兩組數(shù)據(jù)均摘錄自潘自強(qiáng)院士主編的《輻射安全手冊(cè)精編》．［5］

（1）數(shù)據(jù)1：1998年中國(guó)不同類型普通X射線檢查所致受檢者的有效劑量（部分），參見(jiàn)表5．

表5

（2）數(shù)據(jù)2：1998年中國(guó)CT檢查所致受檢者的有效劑量（部分），參見(jiàn)表6．

表6 CT檢查劑量當(dāng)量

研究結(jié)論：

（1）表5是普通X射線檢查．不同類型檢查的單次劑量當(dāng)量由低到高的順序一般是攝影、透視、造影．以胸部檢查為例，攝影和透視的單次劑量當(dāng)量可相差數(shù)十倍；而一次造影所產(chǎn)生的劑量當(dāng)量則最為顯著，相當(dāng)于甚至遠(yuǎn)超規(guī)定限值．

（2）CT，Computerized tomography的英文簡(jiǎn)稱，意即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，是利用精確準(zhǔn)直的射線與高靈敏探測(cè)器一同圍繞人體某一部位作一系列的斷面掃描．X射線CT具有掃描更快、成像更清晰、病情檢查相對(duì)更準(zhǔn)確等特點(diǎn)，當(dāng)然，表6的數(shù)據(jù)也在提醒受檢者，進(jìn)行X射線CT檢查所遭受的單次平均劑量當(dāng)量也更多，隱形傷害也更嚴(yán)重．

可見(jiàn)，應(yīng)當(dāng)慎重、理性地對(duì)待各類輻射醫(yī)療檢查，避免盲目地、短時(shí)期重復(fù)性地接受超劑量的輻射．

5 結(jié)語(yǔ)

流言和謠傳止于科學(xué)．指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)研究和實(shí)驗(yàn)探測(cè)等研究性學(xué)習(xí)方式，系統(tǒng)了解并掌握電離輻射的概念和知識(shí)，全面而客觀地評(píng)估生活和學(xué)習(xí)環(huán)境中的各種電離輻射現(xiàn)象和事件，從而培養(yǎng)和提升廣大中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是我們每一位自然科學(xué)教育工作者的義務(wù)和責(zé)任．這種義務(wù)和責(zé)任，在注重綜合素質(zhì)全面發(fā)展的今天，更具現(xiàn)實(shí)意義．

1 徐龍道等．物理學(xué)詞典［M］．北京：科學(xué)出版社，2004：675－676，898．

2 王英健，楊永紅．環(huán)境檢測(cè)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：289．

3 黃永義．原子物理學(xué)教程［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，2013：248．

4 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB18871—2002）電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004：4，35．

5 潘自強(qiáng)．輻射安全手冊(cè)精編［M］．北京：科學(xué)出版社，2014：208，209．

2016－07－22）