辐射存在于一切物质之中，是物质世界客观的自然现象。我们人类就是在天然辐射环境中历经漫长的历史长河进化而出现的。而辐射看不见、摸不着、嗅不到，容易让人谈“核”色变。因此，了解一些辐射的基本知识是非常必要的。

辐射和电离辐射

辐射是指以电磁波（例如微波和X射线）或粒子（例如β射线和中子）的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量。自然界中的一切物体，只要在绝对温度（相当于-273.15°C）以上，都会产生热辐射，其传播形式即为电磁波。例如万物生长所必须的阳光是一种辐射，我们晒太阳是在接受辐射，患者在医院接受X射线诊断检查，接受质子、电子和中子治癌都是在接受辐射。

按照辐射所携带能量大小的不同，辐射分为电离辐射和非电离辐射（以电磁波为例，辐射应用实例如图1.1所示）。

图1.1 辐射应用实例

注：非电离辐射没有足够的能量来改变原子或分子。

电离辐射也称为核辐射，是指有足够的能量使物质的原子释放电子，从而使原子带有电荷的辐射。α射线、β射线、γ射线和中子辐射等都是电离辐射。

非电离辐射指低能电磁波，其能量低，不能使原子释放电子。其中长波长、低频率的电磁波具有较低的能量，反之则具有较高的能量。我们日常生活中的无线电波、微波、红外线、可见光及紫外线都属于非电离辐射。

下文中提到的术语“辐射”仅指电离辐射。

辐射基础知识

1．辐射从“核”而来

物质都由分子组成，分子由不同的原子组成，原子又是由原子核和核外电子组成。原子核仅占整个原子大小的十万分之一，但却占到了原子的几乎全部质量。

原子核通常是由质子和中子组成的粒子簇，粒子彼此紧紧依附在一起。质子带一个正电荷，中子不带电荷。质子数和中子数之和称为原子的质量数。具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为核素，其中，具有相同质子数的一类原子总称化学元素，简称元素（如硼原子有5个质子，其结构和表示方法如图1.2所示）。

图1.2 原子示意图

注：原子由一个原子核及一群绕核运动的带负电的电子构成，其中原子核由不带电荷的中子和带正电荷的质子组成。在不带电荷的原子中，电子和质子的数目相等，表示该元素的原子序数。

具有相同质子数、不同中子数的核素称为同位素，在元素周期表中处于同一位置。同位素属于同一种元素，化学性质几乎相同，举个例子，氢有1H（氢）、2H（氘）、3H（氚）3种原子，就是3种核素，它们的原子核中都只有1个质子，但分别有0、1、2个中子，这3种核素互称为同位素。由于互为同位素的核素的质量数是各不相同的，因此也可以简单地用元素符号及其质量数来表示，例如60Co（钴）、131I（碘）和137Cs（铯）等。完整的原子通常既不带正电荷也不带负电荷，因为带正电荷数的质子数与带负电荷数的电子数相同。

当原子核的中子、质子数量在一定比例范围内，原子核是稳定的（如1H、2H），超过一定的比例，则原子核变得不稳定（如3H）。世界上有一百多种元素，而核素则高达上千种，它们当中大部分是不稳定核素。不稳定核素能自发地转变成另一种核素，并以辐射的形式释放能量，这种核素称为放射性核素，这种现象称为放射性衰变。发射α粒子（4He原子核，含有两个质子和两个中子）的衰变称为α衰变，发射电子（或发射正电子或俘获轨道电子）的衰变称为β衰变。通常，不稳定核素往往处于激发态，发射粒子后仍不足以平静下来，然后以电磁波形式释放能量，这种辐射称为γ射线。与γ射线一样，X射线也是电磁辐射，但是能量较低。

2．半衰期和衰变系

放射性衰变是一种自发的过程，单个原子核何时衰变是偶然的，而大量原子核的衰变服从统计规律，我们把某放射性核素衰变掉一半所经历的时间叫作该放射性核素的半衰期，可用于表示放射性衰变的快慢（如图1.3所示）。某放射性核素经过一个半衰期后，平均每100万个原子中有50万个原子转变为了别的核素。在下一个半衰期里，大约又有25万个原子发生衰变，如此下去，直到全部衰变为止。经过10个半衰期后，原有的100万个原子中就只剩有大约1000个。

图1.3 半衰期示意图

地球年龄约为46亿年。经过了如此长的地质年代之后，那些半衰期比较短的核素都已衰变完了。目前，还存在于地球上的放射性核素都只能维系在三个处于长期平衡状态的放射性衰变系（也叫衰变链或衰变序列）中。这些衰变系的第一个核素的半衰期都很长，与地球年龄相近或比它更长。如钍系的钍-232，半衰期为1.41×1010年；铀系的铀-238，半衰期为4.47×109年；锕-铀系的铀-235，半衰期为7.04×108年。如果三个放射性衰变系中的其他核素独立存在时，它们的衰变都较快，但当它们维系在衰变序列内时都伴随第一个核素的衰变而衰变，因而它们可以留存至今。这三个放射性衰变系中的核素，主要是通过α衰变、β衰变和γ衰变而衰减的，直到稳定核素为止。对于α衰变，质量数减少4、电荷数减少2，在元素周期表中将向前移动两个位置；对于β衰变，质量数不变，而电荷数增加1，在元素周期表中将向后移动一个位置；而对于γ衰变，质量数和电荷数都不变，因此在元素周期表中的位置不变。比如，铀-238（92个质子和146个中子）原子核首先发生α衰变，于是铀-238转变为钍-234（90个质子和144个中子）。钍-234也是不稳定的，但发生β衰变，从而转变为镤-234（91个质子和143个中子），此核素极其不稳定，很快转变为铀-234。铀-234继续衰变，直到最终成为稳定的铅-206（82个质子和124个中子）而结束（如图1.4所示）。

图1.4 铀-238的放射性衰变链

3．辐射的度量

我们用千克（kg）和吨（t）描述物质的质量，用米（m）和千米（km）来描述空间距离，那么辐射又是怎么描述的呢？

（1）活度

活度是描述放射性物质放射性现象最基本的量，指单位时间内构成某放射性物质的核素发生衰变的平均次数。为了纪念法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（图1.5）发现放射性现象这一突出贡献，人们将活度的单位命名为贝克勒尔，简称贝克（Bq）,1贝克等于每秒1次衰变。活度还有一个旧的专用单位叫居里，用Ci表示，1Ci=3.7×1010Bq。

图1.5 安东尼·亨利·贝克勒尔（1952—1908）

（2）吸收剂量

电离辐射与物质的相互作用是一种能量传递的过程，其结果是电离辐射的能量被受到照射的物质所吸收。为了纪念英国物理学家、放射生物学之父哈罗德·戈瑞（图1.6），人们用吸收剂量来度量受到照射物质吸收辐射能量的多少，其单位为戈瑞（Gy）,1Gy=1J/kg（焦耳/千克）。

图1.6 哈罗德·戈瑞（1905—1965）

（3）有效剂量

同样的吸收剂量，如果辐射种类（例如α射线、β射线、γ射线）不同，受照射部位（例如肺、甲状腺、皮肤）不同，辐射所造成的效应就不一样。就如同用不同大小的刀去砍一棵大树，拿大刀和小刀，效果是不同的；用相同大小的刀，砍小枝和大枝，效果也是不同的。

人们利用有效剂量来衡量或比较不同射线对人体不同部位照射后对人体产生的总体影响大小。为了纪念瑞典医学物理学家罗尔夫·希沃特（图1.7），有效剂量的单位为希沃特（Sv），我们经常使用的有效剂量单位是毫希沃特（mSv）, 1Sv=1000mSv。

图1.7 罗尔夫·希沃特（1896—1966）

放射性的发现

1895年，德国物理学家伦琴意外地发现了一件怪事，放在抽屉里、用黑纸包裹得很好的照相胶片总是自动感光。经过多次反复研究，终于发现了其中的奥秘。这种奇怪的现象原来是由阴极射线管里发出的一种射线造成的。这种射线穿透能力很强，纸张和木板都挡不住。因为对它的性质还不完全了解，伦琴便把它称为X射线（X射线管结构，如图1.8所示），俗称“X光”。伦琴由于该重大发现还被授予首届诺贝尔物理学奖。

图1.8 X射线管

后来，伦琴拿一张用黑纸包好的照相胶片，放在阴极射线管旁边，然后让妻子把手放在胶片上，给阴极射线管通了电。不一会儿胶片冲出来了，伦琴的妻子一看，不禁大吃一惊，这是一张手上的骨骼清晰可见的手掌照相底片。于是，世界上第一张X射线照片诞生了（图1.9）。

图1.9 伦琴和第一张X射线照片

伦琴在巴黎法国科学院宣读关于发现X射线的报告时，众多听众中有一位名叫贝克勒尔的法国物理学家，他在听过报告后，知道了阴极射线管在产生荧光的同时发射X射线，于是就反复思考着一个问题，即荧光（或磷光）与神奇的X射线间，究竟有什么内在的联系。

贝克勒尔在自己的实验室里开始试验荧光物质（或磷光）会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的类似X射线的射线。他试来试去，终于找到了一种物质具有预期效果，这种物质就是铀盐。

贝克勒尔设计了一个实验：他将感光的底片包裹在黑纸中，再将铀盐矿石置于黑纸上面，然后把它们一起拿到太阳下暴晒。贝克勒尔对冲洗出来的底片进行观察，发现底片上有许多雾状细斑点，这说明铀盐矿石所发出的射线能穿透纸张。贝克勒尔将黑纸换成薄的铝箔片及铜箔片，发现也能使底片曝光。

贝克勒尔继续实验时发生了意想不到的情况，原先计划的实验因天气变化而取消了。于是他将底片连同铀盐矿石一起放入抽屉中。在冲洗底片时，贝克勒尔觉得这些底片因为曝光时间不足，底片感光效果必然不好，但是结果却恰恰相反，曝光黑影非常清晰。贝克勒尔由此猜测，一定是矿石除了产生可见的磷光外，还能产生一种存在时间很长、强度远超过磷光的未知射线。这种未知射线能使底片在不经过太阳暴晒的情况下感光。

为继续探求问题真相，贝克勒尔又设计了一个实验。这次实验是将磷光铀盐矿石置于完全不透光的黑纸盒中，再将黑纸盒放置于暗室内很多天，如图1.10所示。贝克勒尔发现铀盐矿石已经不发出X射线，但是具有穿透性的射线依然存在，依旧能使底片感光。这项发现使得贝克勒尔大为振奋，他尝试分析其他成分不同的化合物，发现凡是含有铀的化合物，不论是磷光还是非磷光体，均会产生相同的放射现象，而这种来自大自然，不需借助阴极射线管，故贝克勒尔将它称为“天然射线”。

图1.10 实验示意图

贝克勒尔发现放射性这一自然现象虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时，但其意义却更为深远，此后的研究使人们认识到：在自然界中，有不稳定核素存在，它们的原子核可以自发衰变，同时释放出具有穿透力的射线。这一发现为后来的核科学发展开辟了道路，使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。

当时在巴黎大学求学的一位年轻女学生对贝克勒尔发现的射线产生了浓厚的兴趣，并决定把它作为自己的博士学位论文题目进行研究。她就是出生于波兰后来加入法国国籍的、历史上第一位两次获得诺贝尔奖的著名科学家、物理学家、化学家玛丽·居里。

1898年，居里夫妇（图1.11）在沥青铀矿里提取了一种灰白色的物质，它的化学性质和已知化学元素铋十分相似。居里夫人为了纪念自己的祖国波兰，就把这种新元素命名为“钋”。但随后他们发现，钋还不是沥青铀矿中强放射性的主要来源。他们在取得了更详细的实验结果后，发表了另一个重大发现，即找到了比铀的放射性比活度强二百多万倍的“镭”。

图1.11 居里夫妇

居里夫妇对放射性元素的发现和对新发现放射性元素卓有成效的研究工作，不但带来了其他许多重大发现，而且还开辟了核物理、核化学研究的新领域。为了表彰他们对核科学事业的伟大贡献，居里夫妇和贝克勒尔于1903年被一同授予了诺贝尔物理学奖。

常见的辐射类型及其贯穿本领

辐射的种类很多，常见的有α射线、β射线、X射线、γ射线和中子辐射等。存在形式可以是粒子，如α射线、β射线和中子等，也可以是电磁波，如X射线、γ射线等。因不同类型的辐射携带不同的能量，所以具有不同的贯穿本领（图1.12）。

图1.12 不同类型辐射的贯穿本领

α射线是带电粒子流。α粒子是氦的原子核，由两个带正电荷的质子和两个不带电荷的中子组成。α射线有很强的电离本领，对人体组织破坏能力较大。然而α射线贯穿本领差，在空气中的射程只有几厘米，仅需一张纸或健康的皮肤就能挡住。

β射线是一种高速运动的电子流。β粒子带有一个单位的负电荷，质量轻。β射线电离本领比α射线小得多，但贯穿本领更强。对于同样能量的α射线和β射线，如果该α射线的射程是1厘米的话，那么该β射线的射程能够达到1000厘米。β射线可以穿透1厘米或2厘米的生物组织，但很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。

X射线和γ射线是光子，不带电，无静止质量，是波长很短的电磁波，两者的电离作用较弱，但穿透能力强，只有足够厚的屏障如铅板才能阻挡。

中子不带电，可以通过原子核裂变或核聚变产生，也可以通过人工方法从不稳定原子核中释放。作为宇宙射线的一种成分，中子也可以是天然存在的。因为中子是电中性的，所以它具有很强的贯穿本领。