一、從輻射到電離輻射

輻射，即以波或粒子的形式向周?chē)臻g傳播能量。一般地，某物發(fā)出射線(xiàn)，射線(xiàn)照射受照物質(zhì)，受照物質(zhì)可能因此發(fā)生物理或化學(xué)變化。

輻射無(wú)處不在。例如，打開(kāi)燈，燈光照射屋子，而你可能覺(jué)得耀眼。太陽(yáng)、地暖、人體、信號(hào)塔都是如此，只有部分輻射是有害的。一種輻射效應(yīng)是電離。物理學(xué)的電離，指不帶電粒子在高壓電弧或高能射線(xiàn)等的作用下，變成帶電粒子。輻射按照使物質(zhì)電離的能力，分成電離輻射和非電離輻射。注意，這是按照輻射的作用方式，而非產(chǎn)生方式分類(lèi)。

我們今天講的輻射是電離輻射，下面若無(wú)特殊說(shuō)明，“輻射”均指電離輻射。電離輻射，全稱(chēng)致電離輻射，是攜帶能量足以使受照射物質(zhì)的原子或分子中的電子成為自由態(tài)，從而使原子或分子電離的輻射。非電離輻射攜帶的能量低，不足以使物質(zhì)電離。能否電離，在于波長(zhǎng)與頻率，或粒子的能量。頻率或能量不足，射線(xiàn)數(shù)量再多也不引起電離。

二、從原子、電磁場(chǎng)到電離輻射

微觀(guān)上，發(fā)出電離輻射的是原子或電磁場(chǎng)。原子呈電中性，由帶負(fù)電的電子和帶等量正電的原子核組成。組成原子核的粒子叫核子。核子有不帶電的中子和帶正電的質(zhì)子兩種，原子核的電性就源于后者。兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子組成阿爾法粒子，電子又稱(chēng)貝塔粒子。這些粒子的射流，即阿爾法射線(xiàn)、貝塔射線(xiàn)等。

不同于前面四種粒子，光子總以光速運(yùn)動(dòng)，并具有能量、動(dòng)量和動(dòng)態(tài)時(shí)的質(zhì)量。光子的運(yùn)動(dòng)軌跡是某些波，波長(zhǎng)在1皮米到10納米間的光子波即X射線(xiàn)，波長(zhǎng)比1皮米還短的光子波即伽馬射線(xiàn)。上述六種輻射，是最常見(jiàn)的電離輻射。

從效果看，X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)都是電離輻射。從產(chǎn)生方式看，它們還屬于電磁輻射，即電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變化產(chǎn)生的電磁波輻射。這種變化可能由原子的變化引起，與其他電離輻射伴生；也可能由電荷移動(dòng)產(chǎn)生。所以，將電離輻射和電磁輻射對(duì)立，認(rèn)為X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)不屬于電離輻射，或者不論射線(xiàn)種類(lèi)地說(shuō)電離輻射計(jì)無(wú)法探測(cè)電磁輻射，都是錯(cuò)誤的。除了X和伽馬射線(xiàn)，某些波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的電磁輻射也可能有害。但它們沒(méi)有嚴(yán)重到有電離能力，不屬于電離輻射，例如紫外線(xiàn)和日常的微波信號(hào)。注意，不能拋開(kāi)劑量談毒性。

三、輻射源與輻射污染

釋放電離輻射或放射性物質(zhì)的物品，稱(chēng)為輻射源。放射性物質(zhì)是構(gòu)成它的原子自發(fā)釋放粒子的物質(zhì)，它可以化合物、單質(zhì)；氣體、液體或各種形態(tài)的固體形式存在。輻射源不一定是放射性物質(zhì)，例如X光機(jī)。輻射源分為天然和人工兩類(lèi)。天然輻射源主要是宇宙、宇生放射性核素和原生放射性核素。核素即某種原子核有特定數(shù)量質(zhì)子、中子和特定能態(tài)的原子。宇生放射性核素，即地球上的原子被宇宙射線(xiàn)照射而產(chǎn)生的放射性核素。地球上本就存在的放射性核素，即原生放射性核素。考慮到地球的年齡，現(xiàn)存原生放射性核素的半衰期都非常長(zhǎng)。人工輻射是來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)的電離輻射。例如，一個(gè)山區(qū)有鈾礦，所以有天然輻射；人開(kāi)采鈾礦，造成人工輻射。人工輻射源核設(shè)施、核試驗(yàn)和核技術(shù)應(yīng)用等。

直接或間接接觸輻射源，以及被輻照，有可能導(dǎo)致輻射污染。第一，放射性物質(zhì)可能沾染到物品表面或內(nèi)部。第二，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，放射性核素可能參與構(gòu)成物品或人體。第三，物質(zhì)被輻照，可能引發(fā)感生放射性。例如，醫(yī)院里參與輻射的設(shè)備、空間和人員，在設(shè)備停機(jī)后仍會(huì)有一段時(shí)間的放射性。其實(shí)質(zhì)是被輻照的原子也變成了放射性核素，不要想當(dāng)然地認(rèn)為這是入射射線(xiàn)在打轉(zhuǎn)。

四、蓋格計(jì)數(shù)器與輻射劑量

根據(jù)電離輻射引起被照射物質(zhì)電離的特性，可將探測(cè)電離輻射轉(zhuǎn)換成探測(cè)被輻照物質(zhì)的電離?，F(xiàn)在，我們講解最著名的蓋格-米勒探測(cè)器。

1909年，盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)完成了金箔實(shí)驗(yàn)，證明了原子核的存在。而蓋格就是他的助理。一戰(zhàn)后，蓋格和他的學(xué)生米勒改進(jìn)了金箔實(shí)驗(yàn)中的計(jì)數(shù)管，1928年，蓋格-米勒計(jì)數(shù)管問(wèn)世。它的原理說(shuō)來(lái)也簡(jiǎn)單，我們現(xiàn)在復(fù)習(xí)高中物理知識(shí)（淚目）。電容器即兩個(gè)相鄰導(dǎo)體夾一個(gè)絕緣體或真空。當(dāng)導(dǎo)體連接電源，這個(gè)電路就在絕緣體處被阻斷。當(dāng)電壓超過(guò)絕緣體的耐受力，即擊穿電壓，絕緣體就無(wú)法絕緣，電路被導(dǎo)通。蓋格-米勒計(jì)數(shù)管本質(zhì)上就是充電的電容器，放射線(xiàn)電離中間的氣體，將電容導(dǎo)通。規(guī)定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的次數(shù)反映了輻射的強(qiáng)弱。

蓋格計(jì)數(shù)器是一種氣體探測(cè)器。這不是說(shuō)它專(zhuān)門(mén)探測(cè)放射性氣體的輻射，而是指被輻照而電離的是氣體。探測(cè)器的部件主要是探測(cè)管、處理元件、輸出元件和電池。核心元件探測(cè)管主要有三種：電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋格-米勒計(jì)數(shù)管（G-M計(jì)數(shù)管）。

蓋格-米勒計(jì)數(shù)管的一般結(jié)構(gòu)是，中間充混有鹵素的稀薄稀有氣體，陽(yáng)極在管子中軸，陰極在管壁，兩極與外加電源相連。計(jì)數(shù)器的工作步驟如下。開(kāi)機(jī)時(shí)，電源接通，就構(gòu)成了充電的電容器，氣體間形成了臨近將氣體電離的電壓。當(dāng)一顆射線(xiàn)的粒子穿過(guò)管壁，氣體就立刻被電離，產(chǎn)生電子-離子對(duì)。這對(duì)粒子分別帶負(fù)電和正電，在外加電源的作用下，向兩極移動(dòng)形成電流，意味著電容器被導(dǎo)通。這便是脈沖電信號(hào)，即“能量響應(yīng)”。鹵素使導(dǎo)通的電容器猝滅，重回?cái)嚅_(kāi)充電狀態(tài)，等待下一個(gè)入射粒子。其他元件處理這個(gè)脈沖電信號(hào)，計(jì)數(shù)一次。對(duì)于蓋格來(lái)說(shuō)，計(jì)數(shù)就是探測(cè)，就是測(cè)度。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如一秒鐘的計(jì)數(shù)，就反映了輻射強(qiáng)度。

其他條件不變，氣體探測(cè)元件能接收的電子-離子對(duì)數(shù)目，隨外加電壓而變化，總體上正相關(guān)。外加電壓越大，電子和離子越容易向兩極偏轉(zhuǎn)，能收集到的也就越多。如圖所示，電壓大小根據(jù)相應(yīng)的收集數(shù)目，可分為5個(gè)區(qū)間。第五區(qū)又稱(chēng)G-M區(qū)，顧名思義，是蓋格管工作的區(qū)域。此區(qū)域電壓高，有幾百伏，被探測(cè)射線(xiàn)電離出的粒子經(jīng)高電壓加速獲得更多能量，將更多的原子電離，造成兩極收集到的粒子，比射線(xiàn)本身制造的多。所以蓋格計(jì)數(shù)器的靈敏度高，輸出信號(hào)大，簡(jiǎn)單便宜，普及率高。為了將幾伏的電源電壓升到蓋格管所需電壓，電路中還有一些元件，我們不深入探究。

我們還有幾個(gè)問(wèn)題需要說(shuō)明。

第一，蓋格計(jì)數(shù)器的輸入。蓋格-米勒計(jì)數(shù)管等氣體探測(cè)器收集的是被射線(xiàn)電離出的帶電粒子，而不是射線(xiàn)粒子本身。所以理論上，不帶電的X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)和中子射線(xiàn)也可被蓋格探測(cè)器發(fā)現(xiàn)。但另一方面，阿爾法粒子穿透力非常弱，在固體中的射程只有十幾微米，用普通的蓋格探測(cè)器發(fā)現(xiàn)阿爾法輻射幾乎不可能。穿透力強(qiáng)的粒子也可能數(shù)量較少，或因阻礙而失去進(jìn)入計(jì)數(shù)管的動(dòng)能。于是，有的計(jì)數(shù)管使用云母、塑料或鈹制成窗口來(lái)方便射線(xiàn)進(jìn)入。另外，為增強(qiáng)計(jì)數(shù)管的敏感度，可調(diào)整外加電壓、選用體積大的蓋格管。

針對(duì)可能的接受低能量，輸出過(guò)高信號(hào)的問(wèn)題，部分蓋格管有“能量補(bǔ)償”，即用鉛、錫等材料適當(dāng)包裹蓋格管。這使示數(shù)隨輻射增強(qiáng)而平滑增大，但也阻礙射線(xiàn)進(jìn)入。蓋格計(jì)數(shù)管有“死時(shí)間”。如果當(dāng)一個(gè)入射粒子引起的放電還未猝滅，又有入射粒子進(jìn)入，后進(jìn)入的就無(wú)法引起新放電而被漏計(jì)。

第二，蓋格計(jì)數(shù)器的輸出。它只能計(jì)數(shù)而反映射線(xiàn)的強(qiáng)度，不能具體分辨射線(xiàn)的種類(lèi)和能量?，F(xiàn)在的蓋格計(jì)數(shù)器，往往可將計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化成更好理解的物理量，如當(dāng)量劑量率。注意，探測(cè)器探測(cè)的是所有能接收到的輻射。要想知道某物體獨(dú)立的輻射，要將示數(shù)與當(dāng)?shù)乇镜纵椛渲迪鄿p。吸收劑量D，即電離輻射滯留在單位質(zhì)量物質(zhì)中的平均能量。吸收劑量的現(xiàn)行單位是戈瑞Gy，即焦耳每千克（J/Kg）。然而，吸收劑量相同，射線(xiàn)種類(lèi)不同，人體某器官發(fā)生的生物效應(yīng)可能不同。為了統(tǒng)一表示各種射線(xiàn)對(duì)機(jī)體某器官的作用，由吸收劑量引申出當(dāng)量劑量H。H=WR*D，D是吸收劑量，WR是人為給予各種射線(xiàn)的權(quán)重因子。當(dāng)量劑量的單位也是焦耳每千克，但單位名稱(chēng)是著名的希沃特（Sv），或說(shuō)西弗。由于1希沃特相對(duì)于日常的輻射劑量太大，一般用毫希沃特（mSv）。當(dāng)量劑量又引申出當(dāng)量劑量率，即單位時(shí)間內(nèi)的當(dāng)量劑量。單位時(shí)間是小時(shí)，當(dāng)量劑量率的單位就是Sv/h。此外，為了統(tǒng)一整個(gè)機(jī)體的反應(yīng)，可再將各器官或組織的當(dāng)量劑量乘以相應(yīng)給定的權(quán)重后相加。

第三，蓋格計(jì)數(shù)器的量程。量器必然有量程，以某蓋格探測(cè)器為例，劑量率量程是0.1微希沃特每小時(shí)到10毫希沃特每小時(shí)。它還有累積劑量量程，從0希沃特到10希沃特。我國(guó)規(guī)定公眾一生中，平均每年的劑量不得超過(guò)1毫希沃特，除以24乘365的積，即0.114毫希沃特每小時(shí)。所以10毫希沃特每小時(shí)對(duì)日常還是夠用了。

有人發(fā)現(xiàn)蓋格對(duì)醫(yī)院X光室沒(méi)反應(yīng)，排除故障或不適于X射線(xiàn)的情況，原因一般有二：一，醫(yī)用X光是人工射線(xiàn)，沒(méi)開(kāi)機(jī)就不存在。二，即使開(kāi)機(jī)，X光照射時(shí)間極短，不足以蓋格探測(cè)器形成讀數(shù)。注意，探測(cè)器探測(cè)的是所有能接收到的輻射。要想知道某物體獨(dú)立的輻射，要將示數(shù)與當(dāng)?shù)乇镜纵椛渲迪鄿p。如果認(rèn)為計(jì)數(shù)器讀書(shū)不準(zhǔn)，可以比較正常環(huán)境和被測(cè)物體的示數(shù)相對(duì)大小，有問(wèn)題再做進(jìn)一步處理。

第四，蓋格計(jì)數(shù)器的保存。蓋格管有保質(zhì)期和使用壽命。保質(zhì)期可能是幾年，使用壽命的本質(zhì)是計(jì)數(shù)數(shù)量，可能是10的9次方、10次方等。蓋格計(jì)數(shù)器很脆弱，特別不耐摔；附近的電磁信號(hào)等會(huì)它影響工作；用完要及時(shí)斷電。單純一根蓋格管不能計(jì)數(shù)報(bào)警，還得配合相應(yīng)的電路。所以不要圖便宜只買(mǎi)一根管子或者隨意替換。其他品種的探測(cè)器可能用半導(dǎo)體，不要拆開(kāi)一看沒(méi)管子就認(rèn)為買(mǎi)了假貨。蓋格計(jì)數(shù)器本身沒(méi)有輻射，但可能在檢測(cè)輻射時(shí)被污染，或者隨設(shè)備配輻射源以供校準(zhǔn)，需要特別關(guān)注。使用計(jì)數(shù)器時(shí)，最好別貼到被測(cè)物上，或者用塑料袋做隔離處理。最后，本人非物理專(zhuān)業(yè)，多年沒(méi)學(xué)物理，歡迎在評(píng)論區(qū)提出知識(shí)方面的建議。

謹(jǐn)以此文紀(jì)念我丟失的高中課本和《知識(shí)樹(shù)》