周曉松

＃物理·技術·社會＃

認識身邊的電離輻射
——基于理論和實踐的研究性學習案例

周曉松

（上海市莘莊中學，上海 201199）

電離輻射和電磁輻射有何差異？如何準確測量我們身邊的電離輻射強度？又應該如何理性分析并客觀評估生活中的電離輻射對我們自身的影響？筆者帶領學生通過文獻研究、實驗探索等一系列研究性學習活動，得到了有關上述問題的初步研究成果．

電離輻射；劑量當量；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法被我們的感官所感知、所觀測．在利用其射線服務人類的同時也同樣會對我們的身體產生傷害．因此，有必要針對電離輻射進行理論研究和實驗探索，以廓清概念涵義，揭開神秘面紗，使我們的物理教學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．電磁波有兩個相互垂直的、分別傳遞電場和磁場的波，光也是電磁波．電磁輻射能量取決于其波長．具有輻射損傷作用的是短波長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組成．可見，電磁輻射的成分單一，部分波段的電磁波可以產生輻射損傷，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則是對被作用物造成的影響和后果．通俗地說，電離輻射是一切能引起物質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雜得多，可以依據不同的標準進行分類表述：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、可控制地進行科學實驗研究、各類產業(yè)和日常生活用品的生產制作以及醫(yī)學診斷治療，也可能會在不經意間遭受其射線的無意識傷害，導致人的正常機體產生化學鍵斷裂、基因突變、染色體畸變等負面效應．

界定角度的不同，導致電磁輻射和電離輻射這兩個概念既非并列關系，也非隸屬關系．事實上，正因為這兩個概念有著本質的差異，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、全面地認識電離輻射，有必要首先了解有關電離輻射的基本知識．

3 電離輻射的表征、標準和測量

描述電離輻射的物理量較為復雜．以下將在文獻檢索的基礎上，簡要闡釋表征電離輻射屬性的物理單位和測量技術，并從電離輻射對人體生物組織危害程度的角度，結合《中華人民共和國國家標準（GB18871—2002）電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（以下簡稱《國家標準》）的解讀，做一簡要介紹．如無說明，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生的機理各不相同：高頻電磁波源于原子內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加速的離子束；更多的則是各種核反應產生的“副產品”，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，顯然是因為它們具有共同的物理特性，那就是：射線具有的能量足以使被作用物質的中性分子或原子發(fā)生電離，并產生一系列物理、化學和生物學效應．

正因為輻射效應的多樣性，導致了表征輻射各種屬性的物理量和單位的復雜性．在這里，我們將在關注輻射物理屬性的基礎上，更多地關注描述輻射生物學效應的物理量及其單位．

（1）吸收劑量：［2］單位質量吸收體所吸收的輻射能量，用D表示，其國際單位是戈瑞（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）．相應的，吸收劑量率——單位時間吸收劑量的常用單位是：微戈瑞／時（μGy／h）．

（2）劑量當量：［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，但是它們產生的生物效應卻不相同．綜合表示各種輻射生物學效應的吸收劑量稱為劑量當量，用H表示．劑量當量H與吸收劑量D的關系為H＝DQN．其中，Q稱為輻射品質因素（也稱輻射權重因子），表示在吸收劑量D相同時，各種輻射射線的相對危害程度．N是修正因數(shù)，當輻射來自生物體外部時，即所謂“外照射”時，N＝1．本文研究的各種輻射案例均屬于“外照射”情景．劑量當量的國際單位是希沃特（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，劑量當量率——單位時間劑量當量的常用單位是：微希沃特／時（μSv／h）．

（3）兩點說明：①吸收劑量D和劑量當量H的物理意義都是單位質量吸收的輻射能量，兩者國際單位制的量綱相同．區(qū)別在于：吸收劑量具有絕對性，體現(xiàn)輻射的物理特征；而劑量當量則具有相對性，兼有輻射的生物效應，可以更加準確地反映各種類型的輻射射線對人體影響程度的差異．②部分射線的輻射品質因素Q參見表1．［3］由表1可見，高能中子的品質因素反而相對更?。@是因為這類中子的速度更快、與其他原子核發(fā)生相互作用的幾率反而更小，因而對人體的影響也就較?。@便是最早由美國物理學家費米發(fā)現(xiàn)的著名的“慢中子”現(xiàn)象．此外，表1還告訴我們一個客觀事實：高速α粒子的穿透本領弱，不能穿透人的皮膚，只能產生灼傷效果．但是，如果含有α射線的輻射源通過呼吸道或消化道進入人體，則會發(fā)生可至嚴重后果的“內照射”傷害．

表1 部分射線品質因素

3．2 《國家標準》解讀

《國家標準》是經國家標準化主管機構批準，于2002年10月8日發(fā)布、2003年4月1日實施的國家法律法規(guī)規(guī)定強制執(zhí)行的國家技術標準．《國家標準》既是檢測和評價環(huán)境是否達標的法律條文，也是規(guī)范和約束人們日常行為的政策法規(guī)，當然，更是一份權威的科學知識宣傳和普及的專業(yè)文本．在此，摘錄其中部分條款作為本文參考依據：

（1）條款4劑量當量限值：［4］應對個人受到的正常照射加以限制，以保證個人接受的總劑量當量不超過規(guī)定的相應劑量當量限值（以下簡稱規(guī)定限值）：① 普通居民不應超過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超過20mSv，任何一年不應超過50mSv．

（2）條款7醫(yī)療照射的控制：［4］關于醫(yī)療照射正當性判斷的一般原則是：僅當通過權衡利弊，證明醫(yī)療照射給受照個人或社會帶來的利益大于可能引起的輻射危害時，該醫(yī)療照射才是正當?shù)?，并應注意避免不必要的重復檢查．對婦女及兒童施行放射學或核醫(yī)學檢查的正當性更應慎重進行判斷．

3．3 輻射檢測儀簡介

輻射檢測儀的種類和型號多達數(shù)十余種．上海市二期課改教材介紹的檢測儀分屬兩種類型．一種是充氣計數(shù)器：利用輻射射線通過氣體使其電離從而探測輻射強度的探測器，如蓋革－米勒計數(shù)器、威爾遜云室等，主要用來定性檢測輻射的相對強弱，不能或不便定量測定輻射的類型和能量．還有一種則是閃爍計數(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］當一個高能粒子（或高頻電磁波）射入閃爍體中時，使其中的原子激發(fā)而發(fā)出一次閃光，此閃光經光電倍增管接收、放大并轉換為電脈沖輸出，再由電子儀器記錄下來．根據脈沖的大小，可以測定粒子的能量．

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

表2

4 研究性學習案例

教材引進新型探測輻射儀，一方面體現(xiàn)了教材密切關注并及時展示科學技術最新成果的與時俱進的教育理念，另一方面也體現(xiàn)了物理與科學技術的密切聯(lián)系，當然，也為教師創(chuàng)造性地進行教材二次開發(fā)提供了技術支撐，更為廣大中學生打開了一扇認識和研究世界的天窗．

以下便是在教師指導下，本研究課題的學生針對身邊的輻射現(xiàn)象進行研究性學習的4個案例．其中，輻射儀的參數(shù)設置如下：采樣頻率1Hz；采樣時間30s，即每次檢測30個連續(xù)數(shù)據以求平均值；檢測單位：微希沃特／時（μSv／h）；報警閾值0．25μSv／h，即輻射儀監(jiān)測的數(shù)據一旦達到或超過該報警閾值便會發(fā)出報警警報．

案例1：上海某高中校園的本底輻射．

檢測對象：校園公共場所4個樣本．如圖1．

圖1

檢測數(shù)據：4個樣本的檢測數(shù)據漲落均不明顯，均沒有報警警報．所測每個樣本的平均值和4個樣本的總平均值參見表2．

檢測結論：分析表2數(shù)據，可得以下結論．

（1）3個室內樣本檢測平均值大約是室外運動場樣本平均值的2～3倍．相對封閉的空間、堆砌的建筑材料及聚集的放射性氣體氡等諸因素，是導致室內特別是地下停車庫檢測數(shù)據偏高的主要原因．

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

遠小于《國家標準》關于普通居民5mSv／a的規(guī)定限值，說明我們的校園是安全的．

案例2：公共交通安檢儀的輻射．

檢測對象：上海地鐵一號線某地鐵站GJ－XS6550型X射線安檢儀（以下簡稱安檢儀）．如圖2．

圖2

檢測數(shù)據：共進行3個樣本、4個步驟的檢測．檢測情況參見表3．

表3

檢測結論：表3中的檢測情況反映了以下客觀事實．

（1）樣本1數(shù)據說明，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所測峰值數(shù)據均是在有行李放入、橡膠隔離柵欄被掀起時測得的．一方面說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在放入行李時應盡量避免身體的正面正對安檢儀入口．

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

再設每年平均250個工作日、每天通過安檢儀2次、每位旅客每次通過安檢儀的時間為2s，則地鐵上班族1年因頻繁通過安檢儀而額外接受到的輻射劑量當量為

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

（4）安檢人員接受的輻射劑量當量．以每年平均250個工作日、每天工作8h、樣本2所測平均值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量為

同樣加上該安檢員接受的人均年本底輻射劑量當量，總劑量當量達2．00mSv，仍小于《國家標準》關于工作人員職業(yè)照射水平連續(xù)5年年平均有效劑量不應超過20mSv、任何1年不應超過50mSv的規(guī)定限值．

（5）樣本3和4，即書包前后兩次的檢測結果表明，書包經過安檢儀前后的檢測數(shù)據幾乎沒有差別，都在正常的售票大廳本底輻射范圍內，說明被X射線輻射過的物品不會因此而產生新的、更強的輻射．

案例3：高中物理實驗室輻射源的輻射．

檢測對象：安全教學放射源和正常工作狀態(tài)下的陰極射線管．如圖3．

圖3

檢測數(shù)據：2個樣本的檢測情況見表4．

表4 實驗室樣本檢測均值

檢測結論：通過表4可以發(fā)現(xiàn)物理實驗室的輻射源有以下特點．

（1）安全教學放射源之所以安全，是因為其輻射劑量當量率的均值比教室環(huán)境的本底輻射均值稍有增大，但仍不超過輻射儀的最低報警閾值．

（2）陰極射線管在正常工作時產生的X射線足以能夠達到或超過檢測儀預設的報警閾值．考慮到本實驗操作人員接受輻射的時間較短，一般不會因此產生不良后果．

（3）同樣地，有條件時還可以針對威爾遜云室放射源的輻射強度進行檢測研究．

案例4：來自醫(yī)療診斷的輻射．

醫(yī)院放射醫(yī)療室是封閉式特殊場所，不可能獲得直接的實驗檢測數(shù)據．因此本案例采用的是理論數(shù)據檢索和比較分析研究的方法．

研究對象：接受X射線檢查的受檢者．

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

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

表5

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

表6 CT檢查劑量當量

研究結論：

（1）表5是普通X射線檢查．不同類型檢查的單次劑量當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量可相差數(shù)十倍；而一次造影所產生的劑量當量則最為顯著，相當于甚至遠超規(guī)定限值．

（2）CT，Computerized tomography的英文簡稱，意即電子計算機斷層掃描，是利用精確準直的射線與高靈敏探測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、病情檢查相對更準確等特點，當然，表6的數(shù)據也在提醒受檢者，進行X射線CT檢查所遭受的單次平均劑量當量也更多，隱形傷害也更嚴重．

可見，應當慎重、理性地對待各類輻射醫(yī)療檢查，避免盲目地、短時期重復性地接受超劑量的輻射．

5 結語

流言和謠傳止于科學．指導學生通過文獻研究和實驗探測等研究性學習方式，系統(tǒng)了解并掌握電離輻射的概念和知識，全面而客觀地評估生活和學習環(huán)境中的各種電離輻射現(xiàn)象和事件，從而培養(yǎng)和提升廣大中學生物理學科核心素養(yǎng)，是我們每一位自然科學教育工作者的義務和責任．這種義務和責任，在注重綜合素質全面發(fā)展的今天，更具現(xiàn)實意義．

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

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

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

4 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局．中華人民共和國國家標準（GB18871—2002）電離輻射防護與輻射源安全基本標準［S］．北京：中國標準出版社，2004：4，35．

5 潘自強．輻射安全手冊精編［M］．北京：科學出版社，2014：208，209．

2016－07－22）