2022年3月9日烏克蘭政府官員在社交媒體表示，俄羅斯軍隊控制的切爾諾貝利核電站供電線路受損，目前核電站已經(jīng)完全斷電。核電站備用柴油發(fā)電機可供電48小時，“之后泛核燃料儲存設(shè)施冷卻系統(tǒng)將停止，即將發(fā)生輻射泄露。” 國際原子能機構(gòu)（IAEA）確認(rèn)，切爾諾貝利乏燃料儲存池的冷卻水可以在沒有電力供應(yīng)的情況下有效散熱，核電站斷電對安全沒有重大影響，但可能會導(dǎo)致現(xiàn)場操作輻射安全進一步惡化。

輻射究竟對人有多大危害？輻射與生理損傷有怎樣的關(guān)系？這些常見問題將在本文給出回答。電離輻射，安全防護是第一。

撰文?|?李雨隨（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院碩士研究生在讀）
摘要這是一篇針對電離輻射的科普性文章。介紹了電離輻射的概念、劑量的定義以及關(guān)于日常生活與醫(yī)療中可能的輻射暴露的一些常識，旨在消除公眾對正常的輻射暴露的恐慌，同時普及輻射防護的一些基本常識。

Abstract?This is a popular science article on the subject of ionizing radiation. This article introduces the concept of ionization radiation, the definitions of doses and some common sense about radiation exposure in our daily lives and medical diagnosis. This article is aimed at eliminating the public's panic about normal radiation exposure, with some basic knowledge of radiation protection.

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輻射是什么
現(xiàn)代生活中，人們越來越多地接觸到“輻射”這一概念。對于大多數(shù)人來說，最關(guān)心的問題便是：“輻射對人體有沒有傷害??？” 然而，我們注意到，在互聯(lián)網(wǎng)上流傳的不少有關(guān)輻射的科普，在講解之前往往并沒有將輻射的概念理清，給讀者造成了較大的誤解或困惑。因此，在本文中，我們將從輻射的概念解釋出發(fā)，結(jié)合日常生活中的輻射實例來介紹人們?nèi)绾魏饬枯椛鋷淼奈ｋU，以解答讀者關(guān)于輻射對人體是否有傷害、有多大傷害的疑惑。
首先，關(guān)于輻射的概念。輻射其實就是字面意義，如輻條一樣地向外放射。它本身只是描述一種行為，可以用以描述很多物理過程。譬如熱輻射，顧名思義，是描述熱量從熱源向外傳播的一種過程，譬如紫外輻射則是描述紫外線傳播的一種過程。但這些通常都不是大家生活中所關(guān)心的可能對人體產(chǎn)生傷害的輻射。
在生理損傷方面，尤其是在醫(yī)學(xué)中，大家所關(guān)心的會對人體產(chǎn)生傷害的輻射其實就是核物理中非常經(jīng)典的幾類輻射：α輻射、β輻射、γ輻射與中子輻射。這些命名其實也都是非常字面意義了。α指α粒子，即兩個質(zhì)子兩個中子構(gòu)成的氦原子核。β指電子，由于歷史原因，它可能特指某些情形下的電子，不過我們此處就不做深究了。γ輻射指高能光子的輻射。中子輻射就是中子的輻射，也是對生命體而言最可怕的一種輻射，不過好消息是日常生活中人們幾乎不會接觸到它。這些輻射是對生物體有害的，稱為電離輻射?(ionizing radiation)，“輻射防護”一詞所針對的就是電離輻射。在生活中，出現(xiàn)電離輻射的場合一般都應(yīng)有如圖1所示的警示標(biāo)志。

圖1?“當(dāng)心電離輻射”警示標(biāo)示
這時有同學(xué)就會問了，大家平常會很關(guān)心的“手機、電腦、基站、信號塔會不會產(chǎn)生輻射對人體有害”，這些輻射是電離輻射嗎？首先，它們是低能電磁輻射，而非電離輻射。低能電磁輻射與介質(zhì)的作用方式和電離輻射與介質(zhì)的作用方式是完全兩回事。此處所說的介質(zhì)當(dāng)然也包括人體。那么，低能電磁輻射對人體是否有害呢？目前沒有證據(jù)表明它們會對人體健康產(chǎn)生較為顯著的危害。當(dāng)然，功率密度過高的電磁環(huán)境會對人體產(chǎn)生不良的影響，不過有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格限制。在日常生活中大家還是很難有機會接觸到如此強的低能電磁輻射的，因為當(dāng)前城市內(nèi)高功率電磁設(shè)備，如基站、電視信號發(fā)射塔等，在建設(shè)之前均需要專業(yè)機構(gòu)出具環(huán)評報告以確認(rèn)其對環(huán)境影響極低。我國采用的電磁輻射控制標(biāo)準(zhǔn)可以參看我國生態(tài)環(huán)境部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布的《電磁環(huán)境控制限值》[1]。因此，大家在正常的生產(chǎn)生活中并不需要擔(dān)心低能電磁輻射的健康風(fēng)險問題，除非你是射電天文學(xué)家，會因為電磁污染破壞了你的觀測結(jié)果而感到心梗，或者你對電氣設(shè)備的電流噪聲感到抓狂。
對本文而言，如非特別說明，后文所說的“輻射”都專指電離輻射。
電離輻射對生物體產(chǎn)生的損害是對遺傳物質(zhì)，也就是DNA的損害。損害方式主要有兩種。一種是直接電離?(direct ionization)，往往發(fā)生于α輻射、β輻射與部分X射線輻射中，這時入射粒子直接電離DNA分子，破壞其結(jié)構(gòu)。另一種是間接電離?(indirect ionization)，通常發(fā)生于γ輻射，這時輻射粒子并不能直接電離DNA分子，而是作用于細胞中的水分子生成自由基，這些自由基再去破壞DNA分子結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2?電離輻射作用于遺傳物質(zhì)示意圖

在細胞內(nèi)，當(dāng)DNA受到破壞之后，是存在修復(fù)機制的。有一種修復(fù)蛋白?(repair protein)?均勻分布于細胞中，它們能夠逐漸修復(fù)受損的DNA。但修復(fù)也是需要時間的，因此如果輻射過強、持續(xù)時間過長或間隔時間過短等等，修復(fù)很可能會失敗。這些修復(fù)失敗的細胞可能死掉或者被清除掉，也有可能將受損的遺傳物質(zhì)代代傳遞下去。無法完成復(fù)制或死掉的細胞導(dǎo)致了組織的壞死，遺傳物質(zhì)受損而未被修復(fù)的細胞持續(xù)分裂則有可能導(dǎo)致癌變與遺傳效應(yīng)。
因此，我們看到，輻射對生物體的損傷效應(yīng)分為兩類。一類稱為確定性效應(yīng)?(deterministic effects)，例如皮膚灼傷、白內(nèi)障和急性輻射綜合征?(acute radiation syndrome)?等。還有一類稱為隨機性效應(yīng)?(stochastic effects)，包括癌變和遺傳效應(yīng)。確定性效應(yīng)在普通人的日常生活中很難遇到，因為它需要接受足夠多的輻射才會產(chǎn)生。這種效應(yīng)也被應(yīng)用于滅菌與放療（例如針對癌癥的放射治療，利用輻射殺傷癌細胞）。而平常大家對輻射這一話題最關(guān)心的則是隨機性效應(yīng)產(chǎn)生的危害，尤其是癌變。
那么，輻射與癌變等生理損傷究竟有怎樣的關(guān)系呢？受到輻射就一定癌變嗎？這就需要引入劑量這一概念了。劑量可以用來衡量輻射對人體的危險程度。

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輻射的劑量

出于輻射計量與輻射防護在許多不同場景下的需要，物理學(xué)家們?yōu)檩椛涞亩攘恳肓宋談┝康葎┝康母拍睢?br>吸收劑量?(absorbed dose)，是一個純物理的概念，定義是單位質(zhì)量的介質(zhì)中沉積的輻射能量，單位是戈瑞?(Gray, Gy)?。1Gy=1J·kg-1。它直接衡量了人體所受到的輻射影響的強度。對于一個全身暴露于輻射之中的人，危險劑量的閾值是0.5Gy，而半數(shù)致死劑量?(semi-lethal dose)?是5Gy。
由于不同種類的入射粒子，或者說不同種類的輻射，對人體的傷害能力是不同的（為什么不同呢？此問題留給讀者下來思考），人們又引入了當(dāng)量劑量?(equivalent dose)?的概念。當(dāng)量劑量的定義是對某個組織或者器官內(nèi)受到所受各種類輻射的平均吸收劑量的加權(quán)求和。其中wR是不同粒子（以下標(biāo)R指代）的輻射權(quán)重因子，DRT是該組織或器官（以下標(biāo)T指代）內(nèi)的某種輻射粒子的平均吸收劑量。表1為不同輻射粒子的權(quán)重因子wR。

顯然，權(quán)重因子越大，表明此種輻射對細胞的傷害能力越強。當(dāng)量劑量的單位是希沃特?(Sievert, Sv)。例如，一個組織或器官受到1Gy的α輻射或β輻射，那么它受到輻射的當(dāng)量劑量便分別是20Sv或1Sv。注意，還有一個概念叫劑量當(dāng)量，包括周圍劑量當(dāng)量?(ambient dose equivalent)?與個人劑量當(dāng)量?(personal dose equivalent)，與當(dāng)量劑量是不同的。此處我們不介紹劑量當(dāng)量，因為它是放射測量學(xué)中引入的概念，此處暫不涉及。
為了更好描述整個人體受到輻射的影響，人們更進一步地引入了有效劑量?(effect dose)?的概念。這是因為人體不同部位受到輻射產(chǎn)生的傷害效果是不同的，比如骨髓受到輻射產(chǎn)生的傷害就大于膀胱受到輻射產(chǎn)生的傷害。有效劑量的值是各部位的當(dāng)量劑量按照一定的組織權(quán)重因子進行加權(quán)求和的結(jié)果，單位仍然是希沃特?(Sv)。對于全身輻射，權(quán)重因子就是1。這些權(quán)重因子的值是由國際放射防護委員會ICRP制定的，制定的依據(jù)是對全人口輻射危害?(detriment)?的統(tǒng)計結(jié)果，并且沒有將前文所說的確定性效應(yīng)包括在內(nèi)。表2給出了部分人體組織的權(quán)重因子wT。

需要說明的是，對不同種類輻射與不同組織或器官的吸收劑量進行求和以計算當(dāng)量劑量與有效劑量的方法，是基于線性無閾假說?(linear no-threshold model)?的。該假說也是目前世界各國進行公眾輻射管理所采用的依據(jù)。在此假說下，輻射帶來的健康風(fēng)險與劑量成正比，每100mSv的有效劑量會增加1%的癌癥風(fēng)險。然而，在低劑量輻射的研究中，這一假說是存在爭議的。例如，位于伊朗的拉姆薩爾?(Ramsar)?有著全世界最高的天然輻射量本底（這一概念將在后文介紹），高于世界平均值數(shù)十倍，每人每年平均輻射量可以達到260mSv。然而，目前在當(dāng)?shù)夭]有觀察到統(tǒng)計顯著的高癌癥發(fā)病率。甚至有觀點認(rèn)為，接受一定的低劑量輻射是對健康有益的。目前相關(guān)討論仍在學(xué)界進行。
現(xiàn)在，有了劑量的度量，我們就能來探討輻射對人體的危害了。人們無時無刻不受著輻射。一段時間內(nèi)，當(dāng)輻射劑量在一定水平之下時，我們無需為此擔(dān)憂。當(dāng)輻射劑量超過一定水平，就會對人體產(chǎn)生顯著的傷害，我們需要加以防護。

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生活中的輻射

輻射離我們并不遙遠，因為每個人在日常生活中每時每刻都受著輻射。這些輻射是不可避免的，主要來自于自然界。它們主要包括宇宙線輻射、陸地輻射?(terrestrial radiation)?、吸入或食用的帶放射性物質(zhì)這幾大自然來源。這些輻射構(gòu)成了針對大眾的輻射防護領(lǐng)域的所謂天然輻射量本底?(natural radiation background)?。近現(xiàn)代以來，人類社會進行的多次核試驗與發(fā)生的核事故同樣構(gòu)成了日常輻射的來源，所幸監(jiān)測顯示這部分輻射的影響在逐年減弱。
關(guān)于大眾日常所接受的輻射量的統(tǒng)計，我們可以引用聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會?(UNSCEAR)?的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。一般而言，天然輻射本底造成的大眾的年平均劑量為2.4mSv。這部分就是生活在地球上必然會接受的輻射。
在這2.4mSv的年平均輻射量本底中，氡氣的輻射是最顯著的。氡氣是一種天然存在于空氣中的氣體，屬于吸入的帶放射性物質(zhì)。一個人平均每年受到的氡氣輻射劑量約為1.26mSv。這一數(shù)值在不同地區(qū)差異很大，與房屋的通風(fēng)條件、建筑材料也有關(guān)系，其典型值在0.2~10mSv之間變化。氡氣主要是α輻射。α射線的穿透能力很弱，打到人體身上，基本上還沒穿透皮膚表面那層死皮就沒了?？墒?，氡氣會被人體吸入，直接到達肺部，產(chǎn)生內(nèi)照射?(internal exposure)，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致肺癌。
宇宙線輻射來源于太陽、超新星爆發(fā)與一些暫時未明的系外來源。宇宙線輻射是很強的，但由于地磁場與大氣層的保護，來到地表的輻射已經(jīng)大大減弱。一個在地球上生活的人每年受到的宇宙線輻射約為0.39mSv，這個數(shù)值在不同緯度、海拔略有不同。值得一提的是，長途飛行會增加宇宙線輻射量。譬如一趟十小時的洲際航班所受輻射的典型值是0.03mSv。
陸地輻射主要來源于地層中的鉀-40、鈾-238及其衰變產(chǎn)物、釷-232及其衰變產(chǎn)物。這些放射性核素普遍存在于自然界中。每年每人平均受到該來源輻射0.48mSv。而吸入的空氣和日常的食物中含有的放射性核素也會帶來輻射劑量的貢獻。這部分的年輻射量約為0.29mSv。
有趣的是，在其他一些零散的輻射來源中，包括了人體自身的輻射。因為人體內(nèi)是含有碳-14和鉀-40的，它們會放射出β射線與γ射線。一個人每年受到自己的輻射大約在0.4mSv級別。同樣的，每個人也都會對其他人產(chǎn)生微量的輻射，因為人體內(nèi)產(chǎn)生的β射線固然很難穿透人的身體，穿透能力強的γ射線卻并不會在人體內(nèi)消耗殆盡，它們會繼續(xù)向外放射。
根據(jù)前文提到的線性無閾假說，輻射劑量越高健康風(fēng)險越高，因此人們在本底之上制定了法定的年照射劑量限值。這是一個推定的安全上限。在我國，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18871—2002規(guī)定，對普通人，是每年有效劑量1mSv，而對由于工作需要會長期接觸放射源的專業(yè)人士，是每年有效劑量20mSv[3]。只要不超過這個限值，都不用擔(dān)心健康風(fēng)險。
在現(xiàn)代社會，還有一類輻射對人們的日常生活非常重要，也受到人們很高的關(guān)注，那就是醫(yī)療中的輻射暴露。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)借助放射學(xué)的原理實現(xiàn)了多種多樣的造影成像技術(shù)，在極大提升了診療水平的同時，也給患者帶來了輻射危害方面的顧慮。接受放射科的檢查，會給我們的身體帶來損害嗎？通過有效劑量，我們可以衡量這些檢查項目的健康風(fēng)險。表3給出了部分醫(yī)學(xué)成像項目的輻射劑量。

對于普通的拍片，其劑量都很微弱。例如拍胸片，一次胸片所受到的輻射在0.1mSv以下。每兩周拍一次的話，一年下來的量和天然輻射本底相當(dāng)。大家也不是沒事兒就去拍一張，因此，需要作此檢查時也不必感到害怕。而PET成像與CT等斷層掃描技術(shù)的輻射量是較大的，在10~15mSv之間，因此如非必要，建議每次檢查至少間隔四五年。
另外，需要注意的是，核磁共振或磁共振成像?(MRI)?并不是利用放射性物質(zhì)成像，因此沒有輻射。
放療并不包括在公眾防護意義的醫(yī)療輻射暴露的討論之中。

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輻射影響生活的其他方面

除了大家關(guān)心較多的日常生活中的輻射風(fēng)險之外，輻射在其他很多方面都扮演著重要的角色。
在食品工業(yè)中，輻射處理，即使用射線輻照食品，被廣泛應(yīng)用。在絕大多數(shù)歐美國家與我國，食品工業(yè)的輻射處理都是被許可甚至有商業(yè)應(yīng)用的。食品的輻射處理主要是為了殺滅寄生蟲、滅菌、保鮮。經(jīng)過規(guī)范輻射處理的食品是完全安全的。
除去食品，利用輻射進行消毒滅菌處理也廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)產(chǎn)品，例如醫(yī)學(xué)上使用的防護用品。在新冠疫情期間，使用輻射處理防護服等醫(yī)療用品，比傳統(tǒng)化學(xué)方法具有更快的速度，有力地支持了抗疫工作。
而天然輻射量本底中的一項重要來源，宇宙線輻射，則是妨礙人類太空旅行的一個重要因素。對國際空間站的宇航員的統(tǒng)計表明，在國際空間站逗留六個月所受到的輻射量約為80~160mSv。國際空間站雖然處在大氣層外，但它還處于地磁場的保護之下，并且艙體也有輻射防護措施。當(dāng)人類向更深空進發(fā)，將生活的領(lǐng)域擴展至地球之外，宇宙線輻射的威脅將更大，輻射防護將是一個重要的課題。

參考文獻

[1] GB 8702—2014, 環(huán)境保護部, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 電磁環(huán)境控制限制[S]. 2014.

[2]?The Swiss Federal Council. Radiological Protection Ordinance[Z]. 2017: 118-119.

[3]?GB 18871-200, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2002.

[4] HARRISON J D, BALONOV M, BOCHUD F, et al. ICRP Publication 147: Use of Dose Quantities in Radiological Protection. Annals of the ICRP 50(1)[R]. Ottawa: ICRP, 2021.

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“物理與工程”，原題目為《生活中的輻射及其控制》。