自日本福岛核电站事故以来,我们经常可以从新闻中听到放射性、放射线、放射性物质等相似的词语。这些词语有什么不同,又分别代表什么意思呢?
◎核衰变
人们熟悉的核反应有核聚变和核裂变两种。但还有另外一种重要的反应,那就是核衰变。核衰变指的是原子核发射出小的原子核碎片或高能量电子波,变成其他原子的反应。能够发生如上反应的原子叫作放射性元素,这种反应发射出的原子核碎片或者电磁波叫作放射线,容易混淆的词语是放射性。放射性指的是“可以发射出放射线的能力”,因此只要是放射性元素都具有放射性。假设棒球的投球手是放射性元素,投球手投的球是放射线,放射性指的是投球手可以投球的能力。因此人被球(放射线)砸到会疼,而放射性并不会带来伤害。
◎放射线的种类
放射线具有极高的危险性,如果生物直接暴露在放射线下的话,很容易造成死亡。但也有防御(隔绝)放射线的方法。放射线有几种类型,常见的有以下几种:
α(阿尔法)射线:高速运动的氦原子核,可以用铝箔或者厚纸板隔绝。
β(贝塔)射线:高速运动的电子,可以用几毫米厚的铝板或者1厘米左右厚的塑料板隔绝。
γ(伽玛)射线:和拍X光时的X射线一样,是能量很高的电磁波。需要用10厘米以上的铅板隔绝。
中子射线:高速运动的中子,即使是厚度1米的铅板也不能完全隔绝辐射,但是水能够有效隔绝。
◎核衰变的类型
核衰变不仅在地球内部发生,在我们人体内部也进行着。我们体内有一种叫14C的碳的同位素,它会释放出β射线,衰变成14N。可以说我们随时都沐浴在自己体内的放射线下。
地球内部存在有K的同位素40K,会释放出β射线衰变成40Ca。此外还有铀(U)、镭(Ra)等元素也会衰变,它们衰变时释放出的能量会在地球内部堆积,使地球内部的温度高达5000℃~6000℃,形成熔岩状的地幔。
◎半衰期
核反应堆一旦发生事故,容易引起的问题就是放射性物质的泄漏。想必有人听到过半衰期为8天的碘131或者半衰期为30年的铯137泄漏到环境中的新闻。那么半衰期究竟是什么?
我们来看下初始物质A变成生成物B的反应A→B。反应开始后,A开始向B变化,A的量(浓度)随时间逐渐减少。经过一定时间后,A的量恰好变成初始量的一半,这时,把从反应开始到此时的时间叫作半衰期。
经过半衰期2倍的时间后,A的量变成了一半的一半,也就是四分之一。半衰期3倍的时间后,A的量变成了初始的八分之一。A的量随着时间的推移不断减少,其减少的速率随时间变化趋于稳定。
半衰期短的反应速度快,半衰期长的反应速度慢。半衰期长的放射性元素可以在环境或体内长时间残留,其间一直释放出放射线。[1]
图9-16 半衰期
◎年代测定
利用原子的半衰期可以进行年代测定。年代测定指的是假设有一个老旧的木雕品,对这个木雕品进行制作时间测定的技术。
树木活着的时候会进行光合作用,吸收空气中的二氧化碳CO2。碳中含有一定比例的碳的同位素14C,因此吸收了CO2的植物内部的碳里也会含有一定比例的14C。
但是树木被砍伐后,就无法再进行光合作用。也就是说空气中新的14C无法再进入到树木中。由于14C是放射性元素,半衰期是5730年,会衰变成N。因此木材内部的14C浓度会不断减少。
图9-17
因此,如果木材中14C的浓度是初始浓度的一半,树木是在约5730年前被砍伐的,如果是初始浓度的四分之一,则是半衰期的2倍时间,即1.146万年前。可以以此来推断树木的年代。
但这个测定方法能够成立的前提是空气中二氧化碳所含的14C的浓度不变。地球内部发生的核反应以及宇宙辐射的宇宙射线会持续补充14C的含量,因此已经通过观测确认了14C的浓度不变这一点。
曾有案例对陶器底部残留的糠秕进行了年代测定,测定结果也证实了该陶器是日本绳纹时代的产物。
◎放射疗法
放射线给人以恐怖、危险的印象,但其实并不然。放射线是现代医疗中不可或缺的武器,尤其是常常用于癌症的治疗。
肿瘤是有特殊复制再生能力的变异细胞,消灭肿瘤的办法只有两种,要么是通过手术切除,要么是通过某种办法遏制肿瘤细胞复制再生的能力。
而后者的有效手段就是利用放射线进行放射疗法。特别是使用质子、碳原子核等进行的放射疗法引起了广泛的瞩目。这正是“是毒还是药的区别只在剂量”的最好诠释。被视为洪水猛兽的放射线,只要使用方法得当,也可以成为人们强大的帮手。
[1]核反应的半衰期千差万别,长的超过100亿年(铂190的半衰期是6900亿年,铟115是4000兆年),短的仅有千分之一秒(鉨278的半衰期仅有0.00034秒)。