放射性物质基础知识

关于放射性物质基础知识（α、β、γ 射线）

一、放射性元素

有些元素能够自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线（如 α、β、γ 射线等），同时释放出能量，最终衰变形成稳定元素，这种性质称为放射性，这类元素称为放射性元素。在元素周期表上，原子序数大于 83 的元素都是放射性元素，83 以下的元素中只有锝（Tc，原子序数 43）和钷（Pm，原子序数 61）是放射性元素。

放射性元素可以分为天然放射性元素和人工放射性元素。天然存在的放射性元素只有钋、氡（气体）、钫、镭、锕、钍、镤和铀，其中铀和钍最为常见；人工放射性元素是通过核反应人工合成的元素，如锝、钷和原子序数大于 93

的元素，比较出名的就是锝（用于医疗）和钚（用于核工业）。

二、放射性同位素

同位素是同一元素的不同种原子，它们具有相同的质子数，但中子数却不同。例如原子序数为 1 的氢就有三种同位素，分别是氕（H）、氘（D）、氚（T），它们的原子内都只有一个质子，但分别有 0、1、2 个中子。在自然界，H

占氢元素的 99.98%，D 占 0.016%，T 主要通过人工合成（自然界里极微量的 T 是宇宙射线与上层大气间作用，通过核反应生成的）。这三种同位素里，T 具有放射性。 碳（C）在自然界有 3 种同位素，它们是 C-12，C-13，C-14，其中 C-14 具有放射性（占碳元素的百万分之一），可以用来测文物年代。

钾（K）在自然界也有 3 种同位素，它们是 K-39，K-40，K-41，其中 K-40 具有放射性（占钾元素的 0.01%，它是岩石和土壤中天然放射性本底的重要来源之一。

铀（U）在自然界同样有 3 种同位素，它们是 U-234（0.005%），U-235（0.720%），U-238（99.275%），它们都具有放射性。

同位素分为稳定同位素和放射性同位素，它们按一定的比例在自然界存在。碳和钾虽然有天然的放射性同位素，但含量极少，所以这两种元素不被认为是放射性元素。更多的放射性同位素是由人工合成，服务于国防、生产、科研、医疗等领域。

原子弹威力不等同于放射性危害很多人对放射性的过度恐惧来自于原子弹，但放射性危害只是原子弹的第三重影响，原子弹最大的破坏力来自于光热和冲击波，它们是裂变反应（而非放射性）的结果。当较重的原子核发生裂变时会发生质量亏损，损失的质量按照爱因斯坦的质能方程（E=mc2，能量 = 质量 x 光速的平方）转换成了巨大的能量。例如，1945 年在日本广岛上空爆炸的原子弹，裂变反应中仅有 1g 的质量转化成能量，但它的威力却相当于 16 万吨黄色炸药发生爆炸，瞬间摧毁了整个城市，并造成十几万人当场死亡。随之而来的才是漫长的放射性危害，而放射性危害是我们需要深入了解的。

三、三种射线

放射性物质具有 α 和 β 衰变形式，分别释放出 α

射线和 β 射线，多余的能量通过 γ 射线释放。一般放射性物质衰变的时候，α、β、γ 三种射线同时产生。

α 射线是氦原子核（两个质子，两个中子），带两个正电荷；β 射线的是电子，带一个负电荷；γ 射线是是光子（电磁波），只是波长更短，能量更高。三种射线中以 α

射线的电离能力最强，对人体伤害最大，但其穿透力相当弱，几厘米的空气或纸张就能完全挡住 α 射线，更不用说穿透皮肤了；β 射线电离能力较弱，但具有较好的穿透力，可以被 3mm 的铝板阻挡；γ 射线具有极强的穿透力，超过 X

射线，可以穿透几厘米厚的铅板，但由于它的电离能力最弱，所以对人体造成的伤害最小。

α 和 β 射线经过几英寸的空气或者普通玻璃就会被阻隔，γ 射线穿透力虽强，但对人体的伤害也最小，所以放射性物质在体外对人造成的危害是相当有限的。但如果放射性物质进入体内，危害就要大得多，这在后文的“内照射”中将作解释。有一点要记住，α 射线的内照射是各种放射性危害中最大的。 四、半衰期

放射性元素的原子在释放 α、β、γ 射线的同时，会衰变成其它元素，这种衰变有一定的速率。当原子中有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期。

在自然界，只有 4 种主要的放射性元素和地球寿命差不多：

铀-238：半衰期是 45 亿年

铀-235：半衰期是 7 亿年

钍-232：半衰期 140 亿年

钾-40：半衰期 12.8 亿年

其它天然放射性元素钋、氡（气体）、钫、镭、锕、镤

都是 铀-238、铀-235、钍-232 衰变链中的产物。很多放射性元素因为半衰期较短，在自然界几乎已无存在其矿物：例如钚最稳定的同位素 钚-244 的半衰期是 8200 万年，对于

46 亿年的地球历史来说，天然存在的钚早就减半减半再减半了不知多少次了，几乎可以说没有了，更不用说聚集成矿了。所以，放射性矿物不是含铀就是含钍（钾-40 只占钾元素的 0.01%，含量太少了）。

通常来说，半衰期越短的放射性核素，其放射性也越强。钍-232 的半衰期是 140 亿年，放射性是 4 种主要放射性元素中最弱的。值得一提的是氡，它是放射性监测的重点对象，因为它是气体，容易通过呼吸道进入人体，形成内照射。让人高兴的是，氡的半衰期只有 4 天，不用多久它就可以大部分衰变成稳定元素，而不再具有放射性。但危险之处也在此，短半衰期意味着它的放射性更强。

利用放射性核素的半衰期，我们可以做很多事情：

例如 C-14 测年法：古代生物在活着的时候，不断从环境摄入 C-14，机体维持着 C-12 和 C-14 的平衡。当生物体死后，新陈代谢停止，体内的 C-14 因为衰变而逐渐减少。由于 C-14 的半衰期是 5730 年，可以根据 C-14 的残留推算出生物的年代。C-14 只能准确测出 5-6 万年以内的出土文物或化石，对于例如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，利用 C-14 测年法是无法测定出来的。

在核医学临床应用中使用最广的核素是 锝99m，半衰期只有 6.02 小时，射线能量适中，可利用其杀死癌细胞，但又不至于在体内长留。

五、天然本底辐射

天然放射性元素是构成自然界的组成部分，在各类岩石、土壤、水体、大气、乃至人体中都有不同数量的放射性元素存在。你知道铀在地球上的含量有多少吗？平均每吨地壳物质中约含 2.5 克铀，这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀，例如在花岗岩中的含量就要高些，平均每吨含 3.5 克铀。碳和钾是构成人体的必要元素，自然界中含有一定比例的 碳-14（百万分之一）和 钾-40（0.01%），它们在人体中的比例也一样。

这些天然存在的微量放射性辐射就是天然本底辐射，它已是自然平衡体系的一部分，不会危害人类健康，因为人类和其它生命在进化过程中，已经适应了本底辐射环境。地球人平均一年累计所受辐射约为 2.4mSv（毫希沃特，其中宇宙射线 0.4，大地 0.5，氡 1.2，食物摄入 0.3）。

六、人体能承受多大的辐射

我想这是大家最关心的问题：为何在国外，观众能那么近距离地欣赏放射性矿物？是他们在拿健康开玩笑，还是我们恐惧过了头？ 目前通用的辐射剂量是以 Sv（希沃特）来表示，考虑到它是相当大的计量单位，日常使用更多的是 mSv（毫希沃辐射剂量（mSv） 影响和标准

0.05 核电站工作人员一年累计辐射

0.1 - 0.3 做一次X射线胸部透视的剂量

0.2 乘飞机从北京到纽约之间往返一次的剂量（宇宙射线、飞行高度有关）

1.0 一般公众一年工作所受人工放射剂量、从事辐射相关工作女性所受人工放射剂量极限

1.2 与1天平均吸1.5盒（30支）纸烟同居的被动吸烟者一年累计辐射

1.5 普通人一年累计所受辐射

2.0 从事辐射相关工作的妇女从被告知怀孕到临产腹部表面所受人工放射剂量极限

2.4 地球人平均一年累计所受辐射（宇宙射线0.4，大地0.5，氡1.2，食物0.3）

4 一次胃部X射线透视的剂量

5 从事辐射相关的工作者一年累计所受辐射法定极限

6.9 1次CT检查

7 - 20 CT全息摄影

13 - 60 1天平均吸1.5盒（30支）纸烟者一年累计

50 从事辐射相关工作者一年累计所受辐射极限。士兵、消防员、警察一年累计所受辐射法定极限

100 对人体健康明显有害的辐射剂量极限从事辐射相关工作者五年累计所受辐射法定极限

250 白血球减少

500 淋巴球减少；国际放射防护委员会规定除人命救援外所能承受的辐射极限。

1,000 出现被辐射症状。恶心，呕吐；水晶体浑浊

2,000 细胞组织遭破坏，内部出血，脱毛脱发。死亡率5%

3,000 - 5,000 死亡率50%（局部被辐射时3000 : 脱毛脱发；

4000 : 失去生育能力；5,000 : 白内障、皮肤出现红斑）

7,000 - 10,000

死亡率99%

10,001以上 特）和 μSv（微希沃特）：1mSv = 0.001Sv，1μSv = 0.001mSv。

那么多少剂量的辐射不会影响人的健康呢？美国环保署（EPA）发布的人均年吸收辐射上限是 1mSv（不包括天然本底辐射和生活中的辐射，如手机、电视等）。

当短时辐射剂量低于 100mSv 时，医学上观察不到对人体的确定性效应，即明显的组织损伤；当剂量超过 4000mSv，在没有医学监护的情况下，有 50% 的死亡率，而当剂量超过 6000mSv 时，则可致命。

国际辐射防护委员会规定放射性工作人员全身均匀照射的年剂量应该低于 50mSV，普通居民应该低于 1mSv。为防止随机效应，我国放射卫生保护基本标准中规定，放射性工作人员受到全身均匀照射时的年剂量当量不应超过

50mSv，公众应该低于 5mSv（如果长期持续受到放射性照射，则年剂量不应超过 1mSv）。以上限制都不包括天然本底辐射和医疗照射。 另外，公众成员的皮肤和眼晶体的年剂量当量不应超过 50mSv。

对健康产生影响的放射性指标中有短期辐射和长期累积辐射两项，短期辐射的上限是 100mSv，长期累积辐射是每年 1mSv，偶尔的年份可以达到 5mSv。这就好比温度，人可以承受短时的高温，但长时间（24小时以上）能接受的温度就要低得多得多。

核辐射对人和生物的伤害，与核辐射的剂量、人们暴露于核辐射的时间以及核物质的半衰期有关，虽然严重者可立即致死，但具体而言：当短时辐射量低于 100mSv 时，对人体几乎没有危害。有一个很好的例证：国外科学家带着橡胶手套直接捧取纯金属钚块，难道他在拿生命开玩笑？唯一的解释就是短时间钚的体外接触，不足以危害他的健康。无独有偶，英国女王伊莉莎白二世访问哈维尔核子实验室时，就曾受邀触摸了一块以塑料包裹的钚环，以体验其“温暖”的感觉。

这是一个放射性矿物（各种铀矿）的展示（没有特殊保护措施），实测的最高辐射值为 29.9 μSv/h，远低于

100mSv 的短期辐射标准，即使你在这些放射性矿物面前呆一个小时，受到的累积辐射也只有 29.9μSv（0.03mSv）。我见过对一些沥青铀矿（含铀 42-76％）的零距离检测，辐射值大概在 400 μSv/h，由此可以估计一下纯铀的放射水平，你大概就不会对那位科学家的“壮举”感到吃惊了。在那张图片中，金属钚所释放的 α 射线和大部分 β 射线已被阻挡，只能感受到 γ 射线的温暖感觉了。别忘了钚的半衰期是 8200 万年，铀-238 是 45 亿年，它们都是非常缓慢的释放着这些射线，和那些几年、几天乃至几小时就衰变掉的放射性核素的辐射强度相比简直是天壤之别。不要想当然地以为接触到铀，皮肤就会被灼伤、细胞坏死，这也许是电影或者小说中的情节。