互动科普

粒子辐射：带电粒子横飞的风暴

在电磁辐射产生的过程中，相关的带电粒子的运动状态发生变化或者粒子系统从高能态向低能态（稳定态）转变，它们就释放出来带有一定能量的光子。不过，粒子辐射就不一样了，那可是真正的粒子风暴。

放射性物质的衰变和裂变是粒子辐射的主要来源。放射性元素在衰变过程中，从原子核中会释放出α射线和β射线（还往往伴随着γ衰变，放出γ射线）。下页图解展示了以铀238为例在衰变成稳定的铅206释放α射线和β射线的过程。

α衰变就是放射性元素原子核中放出了一个由2个中子和2个质子组成的氦核，这些氦核就组成了α射线。而β衰变则是原子核中的中子放出了一个电子，转变为质子的过程，放出的高能电子就是β射线。为了衡量衰变的强度，科学家引入了单位—贝克勒尔（Bp），如果放射性元素每秒有1个原子发生衰变，那么它的放射性就是1贝克勒尔。

除了衰变，裂变过程也是辐射的重要来源，裂变过程中会释放出中子和原子核碎片（也伴随着γ衰变），这些具有极高能量的粒子有着更强的辐射能力。在本次日本福岛核电站事故中，经常提到的碘131就是这样的碎片。不过，那些从反应堆中跑出来，沾染在物品上的碘131核本身已经没有巨大的动能，它们的危险之处在于发生β衰变，释放出伤害人体的高能电子。

需要说明的是，这些电子、中子和氦核之所以成为致命的危险品，是因为衰变或者裂变赋予了它们极高的能量。而那些具有相同组分、能量较小的粒子却温和得多，例如，一般的氦气包含有氦原子核，对人体没有伤害。就像是一个棒球静止地放在桌面上是伤不到人的，但如果它是以每秒30米的速度飞行着，那就是另一回事情了。

事实上，我们可以通过仪器给普通粒子施加外部能量，将其变成粒子辐射，比如在大型电子对撞机的加速器中，普通的带电粒子会以极高的速度运动，成为危险的粒子辐射。宇宙射线和太阳风中也含有大量高能粒子流，幸好地球磁场把大部分带电的粒子流偏转屏蔽掉了，不然人类很难承受得住，在太空或高空的飞机上受到的辐射就来自于太空。

图1.铀238（右上）到铅206（下）的衰变过程

在这个过程中，会释放出α射线和β射线，此外，伴随着上述两种衰变，原子核还会放出少量的的γ射线。

辐射伤害是能量“砸坏”了生物分子

不管是电磁辐射，还是粒子辐射，它们对人体的侵害都是通过“砸坏”人体内生物分子的化学键造成的。我们体内的各种生物大分子都是碳、氢、氧等原子通过彼此之间的化学键形成的，当然这些化学键在通常状况下是稳定的，要拆开它们就需要一定的能量（碳碳单键的能量约为3.4电子伏，磷氧双键的键能约为6.1电子伏）。显然高能辐射电磁波和粒子（像γ射线和β射线的能量都高达百万电子伏）有足够的能量来“砸”开这些化学键，其结果是生物大分子结构和性质被改变，甚至是立即失去生理功能。

如果细胞在受到辐射时，其中的蛋白质等掌管“吃喝拉撒”的生物分子受到破坏，那这些细胞会因失去生理活性而死亡。我们可能都有这样的经历，在烈日下暴晒后，皮肤会发红（主要是紫外线损伤），在随后的几天里，会有大量的表皮脱落，这就是最常见的辐射损伤例子。当然，如果只是少量细胞的死亡，并不会影响到人体的整体机能，那些死细胞会被人体分解吸收或者被排出体外。不过，要是碰到能量很高的辐射（如果γ射线），我们体内的大量细胞就可能在短时间内被破坏。如果被照射的时间过长，那么被破坏的几率就会大增，出现急性放射病的症状，甚至导致死亡。

核辐射有一定的对细胞里DNA等分子造成伤害的可能性，在极少数情况下，这种伤害可能会造成细胞内染色体上基因的变化，如果刚好砸到了控制细胞分化和程序性死亡的基因，那个细胞就有可能变成癌细胞，这些细胞不再遵从人体的指挥而恣意生长。这就是我们经常听到的辐射导致癌症的原因。实际上，我们的机体有着强大的修复能力。特别是DNA的两条链上都记录着同样的信息，再加上相关蛋白质的修复功能，大大降低了DNA因为辐射出错的几率。

图2. 辐射对生物体的伤害在于它们能破坏生物大分子的结构。如果细胞中蛋白质等分子被大量损坏的话，细胞很快会失去正常的生理功能而死亡（下），在这种情况下，人体就会表现出急性放射病。如果只是DNA的损伤，细胞依然能够生存繁殖，但是存在癌变的危险（上），这也是大多数人恐惧辐射的原因所在。

上面所说的损伤，实际上存在一个概率的问题。因为辐射并不是制导炸弹，不可能每击必中。只有攻击的次数多了，才有可能造成实质性的损伤。因而，引入了辐射剂量的单位希沃特（Sv，1希沃特=1焦/千克），来衡量一个人接受的辐射剂量的多少。

我们应该看到，作用在DNA上的辐射带来的不全是坏事。生殖细胞的基因被改变了，而恰恰这个新的基因会给生物后代带来有利的新的性状（比如，携带氧气更强的血红蛋白等），这样的辐射自然是有益的。甚至可以说，一个持续的稳定的低剂量辐射，在生物进化过程中发挥了相当大的作用。

实际上，辐射诱变育种，曾经被视为一种重要的育种手段，通过人工施加的高剂量辐射，或者暴露在太空的辐射中，促使DNA突变，然后再从中选出具有优良性状的个体（不过，绝大多数突变都是有害的）。在转基因手段发展起来之后，辐射诱变这种目的性、选择性不强的育种手段逐渐被淘汰了。

即使是直接杀死细胞的辐射效应也有有用的地方，核辐射对生物体的伤害在食品生产中用来常温杀菌，食品经过高强度的射线照射之后可以保证大部分的细菌被灭杀。治疗肿瘤的放射疗法（放疗）是另外一种应用，通过对癌变的部位进行高强度的辐射处理（通常是γ射线），使得癌细胞（也包括正常细胞）大量死亡，达到抑制癌症的目的。

就像在文章开头介绍的那样，我们在日常生活中，总会碰到电磁辐射或者粒子辐射，“危险”似乎难以避免。好在我们的机体会自动修复小的损伤。只要不长时间暴露在强放射源面前，我们没有必要谈辐色变。

（本文发表于《科学世界》2011年第5期）