首页 >> 物理 >> 文章

福岛核事故以来,相信大家对电离辐射的概念不再陌生。大师兄α射线,是带有2个质子和2个中子的氦核,二师兄β射线,是高速运动的电子,三师兄γ射线,是一种高能光子,四师兄X射线,是一种比γ射线能量低一些的高能光子。除此之外,还有一个名气不大,本事不小的小师弟,他就是中子射线。

中子射线之所以排在四位师兄的后面,因为出场的机会较少。α、β和γ常常产生于天然放射性衰变中,X射线也常常与医学检查联系在一起。除此之外,工业生产当中也时不时地会遇到这几位的身影。相比之下,中子射线就没那么常见了。只有极少数放射性元素衰变时会放出中子,个别原子序数较大的天然放射性元素也会自发裂变释放出中子。为了得到大量的中子射线,往往要用一种粒子去轰击原子核。例如,用α射线轰击铍-9,会生成碳-12和中子。因此,日常生活中接触到中子射线的机会要比其他射线小得多。

由于宇宙射线的影响,在海平面附近,中子的通量密度约为60中子/平方厘米·小时,这代表平均1平方厘米的面积上一个小时之内会通过大约60个中子。而在3km的高空,这个数值就增加到了600中子/平方厘米·小时[1]。相比之下,体重70公斤的成人体内每秒钟有约4300个钾-40原子发生衰变[2],释放β或γ射线[3],假设人体的横截面是500平方厘米,宇宙射线全部来自竖直方向的话,那么每秒钟穿过人体的中子数约为8.3~83个,还不及钾-40衰变的零头,完全不需担心。

微妙的平衡

中子虽然是小师弟,但他还懂一点儿师兄们都不擅长的"内功",那就是把某些本来没有放射性的化学元素变成它的放射性同位素,叫做中子活化(neutron activation)。我们知道,化学元素的原子核由质子和中子组成。在强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的明争暗斗之下,原子核的“砖块”之间保持着一种微妙的平衡。此时,如果原子核俘获了一个外来的中子,三种相互作用的比例就会发生变化,微妙的平衡也许就不复存在,原子核的大厦变得摇摇欲坠,随时可能土崩瓦解——这就形成了该元素的放射性同位素。

中子射线的师兄们也有类似的本领。不过要么是它们的穿透性比中子弱,不能深入物体内部;要么需要很高的能量,天然放射性元素释放的能量通常没这个高;要么与原子核发生反应的概率比中子的小几个数量级[13],所以放射剂量学的文献通常不考虑它们的“活化反应”。那么,中子射线相对擅长的本领要不要考虑呢?看一个真实的案例就知道了

中子射线的真实案例

由于天然的放射性元素衰变时极少释放中子,因此,一般人受到大剂量中子射线影响的唯一可能便是核武器和临界核事故了。在核爆炸的最初十几秒中,会释放出大量γ射线和中子射线[4]。1999年,发生在日本JCO公司某燃料厂的临界事故[4,5],也释放出了大量γ射线和中子射线,造成2人死亡,留下了惨痛的教训。

在日本JCO公司的这次事故中,共有三名操作员受到了致命剂量的辐射,其中A为16~20Gy,B为6~10Gy,C为1~4.5Gy[4],与之相对的是,人们平均一年所受到的所有辐射的剂量当量为1~10mSv。Gy(戈瑞)表示吸收剂量,1Gy等于1焦耳每千克。如果换算成衡量辐射的生物学效应的剂量当量,Sv(希沃特),还要乘以一个比例因子[6]。对α粒子来说,这个因子是20,对中子来说,这个因子在5~20之间,对β和γ射线来说,这个因子是1。

JCO事故中,患者A的尿液所含的放射性元素的能谱,样品96ml,计数时间为20000秒

 

由于中子射线活化了人体内的化学元素,它们还带上了一定程度的放射性。日本放射科学国家研究所的一篇论文写道[7],研究人员对受害者血液、尿液和呕吐物进行检测,得到三位受害者体内的钠-24的放射性衰变活度约为每秒1百万~9百万次衰变(8.7MBq,4.0MBq,1.2MBq)。自然界中钠-23的丰度为100%,因此受害者体内的钠-24一定是在核事故中产生的。我们根据文献[8]中的“放射性药物单位给药量的有效剂量”做一个大概的估计[9],这些钠-24将给受害者造成额外的0.4~2.8mSv的照射,大约相当于做了一次CT检查[10]。因此通常的放射性计量学文献也很少提到中子射线的活化反应。

人体的化学元素组成按照重量排,依次是氧、碳、氢、氮、钙、磷、硫、钾、钠、氯、镁等等[1]。除此之外,还有一些不超过人体重量0.4%的微量元素。这些化学元素中的大部分并没有天然放射性;即使其中一些元素俘获了一个中子,要么新产生原子核很稳定,没有天然放射性,要么它的半衰期非常长,对人体的影响可以忽略[11]。要么衰变时不发出、或很少发出γ射线[12],不易探测。因此,JCO核事故中,从受害者样本中检测到的被中子活化的放射性元素主要有放出γ射线的钠-24、钾-42和溴-82。

表一:人体的化学元素组成(按照重量排)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

61%

 

 

23%

 

 

10%

 

 

2.6%

 

 

1.4%

 

 

1.0%

 

 

0.20%

 

 

0.20%

 

 

0.14%

 

 

0.12%

 

 

0.027%

 

 

中子射线与食品安全

中子射线会不会对我们的食品安全造成影响呢?笔者查询了许多文献,搜索了各种关键词的组合,都没有找到相关话题的讨论。从理论上讲,食品当中的化学元素的确有可能被中子射线活化,从而带有额外的放射性。但讨论这个问题实在有点儿杞人忧天——自然界单位时间的中子通量密度约为60中子/平方厘米·小时,而JCO事故中,受害者遭受的中子通量密度约为5700亿中子/平方厘米,相当于自然情况下100万年的总和。因此,不需要估算吸收剂量,我们就能确定完全不需要考虑日常生活中中子射线的影响。

况且,在核事故中,中子射线主要产生在堆芯附近;而食品安全主要讨论的是周围几十公里的区域。在这种时候(即使受到了核武器攻击),对食品安全影响最大的应该是放射性物质的沉降——如果随风飘散的放射性物质都没有影响到食品安全,那么直线运动的,经过防护罩重重阻隔所泄露出来的中子射线(造成的活化)就更加不需要考虑了。这是由于资料匮乏,笔者得出的个人想法。

相比α、β、γ和X射线,中子射线的确是个不容小瞧的角色。不过在日常生活中,中子射线对人的负面影响微乎其微,完全不需要考虑。许多工业技术、科学研究和医疗手段都要依赖中子射线、或中子活化所产生的放射性同位素。它就像其它几位师兄一样,已经成为人类生活的重要组成部分。不知不觉之间,它就在改变你的生活。
参考资料:

[1] 《中子辐射的防护》,美国国家放射防护与测量审议会(NCRP),原子能出版社,1981年

[2] 沐右 《被核辐射污染过的牛奶,煮开了能喝吗?》

[3] General Information About K-40

[4] 《核辐射及相关其突发事故医学应对》,龚守良,刘晓冬,原子能出版社,2006

[5] 历史上发生过哪些“核事故”

[6] 《辐射、人与环境》,国际原子能机构编著,原子能出版社,2006

[7] Determination of Radionuclides Produced by Neutrons in Heavily Exposed Workers of the JCO Criticality Accident in Tokai-mura for Estimating an Individual’s Neutron Fluence

[8] 《电离辐射剂量学基础》,李士骏,苏州大学出版社,2008

[9] 由[8]中知,含钠-24的钠盐静脉注射的有效剂量为0.32mSv/MBq,那么人体内活度为8.7MBq钠-24的总有效剂量为8.7×0.32≈2.8mSv。

[10] Radiation Exposure in X-ray and CT Examinations

[11] 简单地说,产生相同数量的放射性同位素原子,半衰期越短,单位时间内发生衰变的原子数就越多,对人体的影响也就越大。

[12] Determination of Neutron Dose from Criticality Accidents with Bioassays for Sodium-24 in Blood andPhosphorus-32 in Hair

[13] Handbook on Nuclear activation Cross-sections

致谢:本文感谢沐右和一位物理师朋友的帮助。
注:本文原始版本的细节上存在一些不严谨的地方,经过网友的帮助,现在已改正:
1. 有极少量的天然放射性元素衰变时会发射中子,原文说法有误。
2. 天然放射性元素释放的射线,在一定条件下也有可能与某些化学元素的原子核发生反应,但由于种种原因,除了在实验室中,这样的情况并不多见。原文对此没有表述清楚。
3. 补充了一些细节内容,修改了一些措辞

0
为您推荐

23 Responses to “中子射线:稍微懂点“内功””

  1. 翀浪说道:

    早上起来,抢个沙发。

  2. 翀浪说道:

    中子射线造成的辐照损伤主要来自两个效应,一个是中子是体内的元素活化,例如文中提到的将Na23变为Na24。另一个效应是与体内的质子(氢核)发生弹性散射反应,将能量转移给质子,而质子会造成类似于α粒子引起的辐照损伤。这两个方面所占的份额和中子的能量相关。在中子能量较低时,例如热中子,第一个效应占主要部分,而在中子能量较高时(快中子),第二个效应所占的份额增加。

  3. mirror说道:

    应该说“放射性元素衰变时也会放出中子”,而不是“放射性元素衰变时不会放出中子”。

  4. 东莞大理石说道:

    所以,同样是电离辐射,四位师兄只会使“外家拳”,打完就算完事。

  5. galaxy说道:

    原子序数较大的原子也会自发裂变释放出中子的

  6. 诸葛亮说道:

    我想不明白,如果真是这样,中子射线就应该排在α、β、γ、X射线的前面呀?

    • Sheldon说道:

      其实还是因为不常见...

    • 翀浪说道:

      还因为中子发现得比较晚。

    • 翀浪说道:

      天然放射性是贝克勒尔在1896年发现,随后的研究发现射线有3种成分,分别被命名为alfa、beta和gamma射线。而中子是由查德威克在1932年发现的。

    • zzzevazzz说道:

      中子不带电,所以很晚才被发现。

      • shopinglau说道:

        γ射线也不带电,也被发现了。还是中子射线不常见。

  7. 水母OR蜗牛说道:

    中子弹……

  8. 东莞大理石说道:

    谢谢指出,是我没说清楚

  9. 暮光--星月传说说道:

    .........................

  10. 刘斌说道:

    好,我回常来看的

  11. 光子张顺说道:

    新原子模型http://blog.sina.com.cn/s/blog_55fe42790100rzkk.html

  12. Lewind说道:

    想起人造中子源:美国的橡树岭,中国的东莞散裂中子源。

  13. 尽吹散说道:

    辐射

  14. 朴芬庆说道:

    一个很现实的问题就是:主战坦克的复合装甲里面的防中子弹的中子屏蔽层,是用什么材料做的,得做多厚才有效果?各国的坦克、装甲车是否真能装备这类中子屏蔽层?

Leave a Reply