辐射：来源

在上一篇文章中，我谈到了电离辐射的单位。 现在让我们谈谈辐射源。

我不会在这里写有关“您不需要触摸它”的文章-关于它的文章已经写了很多，但是我不是Oleg Aizon，而且我没有空前的放射性伪像的独特照片。 我通常会说-辐射来自哪里。

放射性衰变为现象

什么是放射性衰变？ 回忆起学校知识的人会回答-这是某些元素转变为其他元素的现象。 通常，有人会给出另一个同样不准确的定义。 实际上，放射性衰变是原子核作为核子系统的任何自然变化，并伴随着能量的释放，能量的释放通常超过几千电子伏。 然后，该能量被原子核发出的基本粒子，电磁辐射量子带走或转移到原子电子上。 在这种情况下，原子核本身可以改变其电荷，质量，分裂成两个或多个原子核，或者仅通过进入更稳定的状态就可以保留下来。

原子核的“外部”，容易确定的特性是其质量A和质子的电荷和质量所测量的电荷（或原子序数） Z 。 这些是整数值，具有在核成分中相应颗粒数的物理含义。 中子电荷为零，其质量几乎与质子相同，因此计算中子数： $$$N = A-Z$ 。 具有相同电荷的原子核被称为同位素 ，具有相同的质量- 等压线 ，如果相同，则等压线 ，另一个，我们正在处理异构体 。 Z和A分别在较低和较高的索引中表示在元素符号的左侧。

从上面已经说过的很明显，要使Z发生变化，原子核必须离开带电粒子，而要使A发生变化，比电子重的物质必须飞离原子核。 因此，可以使用以下选项：

-电子和反中微子或正电子和中微子（β衰变）飞出-Z改变一个（电子的情况下增加，正电子的情况下减少），A-不改变；

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} \ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {20} Ca} + e ^-+ \ bar {\ nu} _e$$

-原子核相反，可以从原子的K能级吸收电子（K捕获）-Z增加一个（如在beta +衰变中一样），A不变，中微子被发射出来。

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} + e ^-\ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {18} Ar} + {\ nu} _e$$

-氦4核飞出，即所谓的α粒子（α衰变）-Z减少2，A减少4；

$$

$$^ {238} _ {92} {\ rm {U}} \ rightarrow ^ {234} _ {90} {\ rm {Th}} + \ alpha \（^ 4_2 {\ rm {He}）}$$

贝塔衰变（和电子捕获）是中子之一向质子的转化，反之亦然，是弱相互作用的一种表现，这种相互作用弱化了“核子”夸克之一。 总是与电子一起形成反中微子，该中微子带走了一部分能量，而它们之间的能量则随机地重新分配。 因此，β辐射的能谱是连续的。

α衰变的发生仅仅是因为任何比铁重的原子核在能量上都比“减肥”更有利。 但是，尽管该增益不超过几个MeV，但从原子核中去除α粒子或任何其他碎片的能量垒太高。 并且当能量增益足够大（但仍小于结合能）时，可以将α粒子隧穿到原子核之外。 除α粒子外，在极少数情况下，中子或质子还会从核中飞出，或者原子核比α粒子重。 最后，原子核可以分裂成几个原子核，同时发射出多个中子。 这是自发裂变，从only和铀开始，只有重原子核才能够。
衰变之后，原子核中可能会保留过多的能量，而这个“热身”的原子核必须以某种方式摆脱它。 为此，它发出一种或多种伽马射线。 有时也会发生内部转换现象：能量不是以光子的形式辐射，而是传输到飞出原子的电子。 与β射线不同，转换电子具有单能（线性）光谱。

在某些情况下，具有过量能量的核可能存在很长时间，有时甚至数百年。 它与相同的“普通”原子核没有区别-不论是电荷还是质量，也就是说，它是相同的化学元素和相同的同位素。 但是异构体是不同的。 最常见的是，亚稳态异构体的寿命不超过数小时，并且只有少数具有数年的寿命。 只有一个核的异构状态是稳定的：钽180。 在基态下，它具有β活性且寿命短（半衰期为8小时），并且它的钽180m异构体似乎应该以75 keV的能量发射伽马射线进入基态，或者经历β衰变，但是都不，至今还没有人观察到：与短暂的基态相比，这种异构体是稳定的 。

核异构体的衰变是放射性衰变的唯一例子，仅伴有伽马射线 。 在所有其他情况下，伽马辐射始终仅与alpha或beta辐射一起存在。
关于同位素和异构体，我们说过。 还剩下一个“ iso”-这些是等压线。 具有不同核电荷和相同质量的核。 稳定的等压线通常具有两个单位的电荷差，并且在它们之间几乎总是存在放射性同位素。 在元素周期表的相邻单元中不大可能存在两个稳定等压线-该规则称为Schukarev-Mattauch规则。 从中只有两个例外：锑和碲123和ha 180以及上述的钽180m。

宇宙射线和其他非放射性辐射源

除放射性物质外，人脑自然产生的其他一些过程和现象也导致出现具有类似性质的辐射。

您可能知道宇宙辐射。 宇宙射线充满整个宇宙，它们是质子，重原子核，电子和伽马射线，具有极高的能量。 宇宙粒子记录的最大能量达到电子伏特的极限 ！ 是 $$$10 ^ {21}$ eV。 这种高能粒子的来源到底是什么也无法明确地说，但是中等能量的粒子和伽马射线（从千吉电子伏特起）是由包括我们的太阳在内的恒星产生的。

这就是所谓的主要宇宙辐射。 只有进入低地球轨道，或者至少上升几十公里，才能遇到它。 尽管能量很高，但这些粒子仍未到达表面。 这些粒子中的每一个都已经流入大气，引起整个核反应级联，导致形成许多已经到达地球的粒子-主要是μ子。 顺便说一句，它们的飞行完全是由于相对论的时间膨胀：μ子的存在时间-两微秒-如果没有它，则只有半公里的小μ子才能飞行。 另一个有趣的事实与宇宙μ子有关：它们带负电，但主要的宇宙射线带正电，因为它们主要由质子组成。 这就是为什么地球带负电而电离层是正电的原因。 在地球表面附近，平均每分钟每平方厘米有一个飞子飞过。 大约三分之一的自然本底-约3.5μR/ h-是由于它们造成的。 在客机飞行的高度，宇宙射线每小时产生几微西弗特的剂量率，这已经对飞行员的健康构成一定的危险。


除μ子外，次级宇宙射线中也有电子和中子。 后者在所谓的宇宙放射性核素的形成中起重要作用。

二次宇宙射线具有很高的穿透力。 为了保护自己免受伤害，您必须进入地窖和地雷。 当然，必须捍卫自己不是因为它们对健康有害-而是因为它们会干扰在核物理实验中检测稀有事件和微弱事件，测量小的放射性核素活动等。 但是它们有一些好处：在它们的帮助下，可以“穿越”地质结构，大型结构（例如埃及金字塔）。

顺便说一下，地球的大气层相当于宇宙射线中约一米的铅。 不仅有一种大气层可以保护地球，而且还可以保护我们所有人免受宇宙射线的侵害-此外，还有一个使带电粒子偏转的磁场。 但是，不应低估大气层的保护特性。 在地磁倒转期间，地球的磁屏蔽层实际上可以消失一段时间，但是与警报者的恐怖故事相反，这不会导致地球上的生命停止，并且地表的辐射水平只会增加2-3倍。

从空间到达的特别高能量的粒子导致形成覆盖大面积的粒子簇，导致许多粒子同时在距离相当远的探测器处对准。 这些就是所谓的大风淋。 它们在各种间隔探测器的帮助下进行配准可以确定一次粒子的能量，并且以此方式可以确定宇宙射线中最高能量粒子的能量。 另外，这样的粒子在大气中引起切伦科夫辐射的强烈闪光。

伽马射线和高能电子短时爆发的地球来源是闪电和其他大气放电。

人的手的工作是无数种设备，它们不一定会故意生成高能粒子流和量子流。 为此，特别是有X射线管和各种加速器-从几乎适合您的手掌的小型加速器到占据多个国家/地区的LHC怪物。 正如他们用官方论文的干话说的那样，未使用的X射线辐射的来源是任何电子真空设备。 但是当阳极上的电压为数十千伏时，它通常可以走到外面。 因此，高压电控管，脉冲调制器灯和行波微波灯，速调管等成为X射线源。 在雷达站。 而且-在各种家庭实验爱好者的手中。

您经常可以听到有关X射线辐射源是电视或监视器的显像管的事实。 也许可以，但通常不会。 事实是显像管处的玻璃非常厚，阳极电压为15-25 kV的X射线辐射太软，无法穿过这种玻璃。 这是投影电视的显像管，它们在高达50 kV的电压下工作，并且具有较小的尺寸和较薄的灯泡壁，即使那样，也要进行“ X射线”检查。 在电视中，ULPTC带有用于稳定阳极电压的电路“使自己与众不同”。 在该电路中，使用GP-5灯，其阳极电压等于第二个阳极的电压（即25 kV），有明显的阳极电流通过，并且灯的壁很薄。 结果，它在X射线范围内明亮地发光。 通过在黑色电视机上放一张用黑纸包裹的照片纸，您可以清晰地看到其内部-特别是从灯泡上取下保护盖时。

但是我们将回到放射性。

天王星和or及其女儿

铀和or成为人类已知的第一批放射性元素。 Henri Becquerel在铀矿石上发现了一种新的穿透辐射，类似于X射线，MariaSkłodowskaCurie正是从她身上产生了第一批镭和po晶粒。

这些元素是生命周期短于地球生命周期的众多元素中间的一种“稳定岛”。 它们从它们在超新星的肠腔中形成之时起就一直存在，在爆炸过程中形成了这些气体和尘埃，进而形成了我们的太阳系。 它们位于半衰期以分钟，小时，年，千年，一千年为单位的元素中间。因此，将元素周期表中的单元格更改为右侧的一个单元（以beta衰减表示）或左侧的一个单元，则该元素变得更加不稳定并会再次衰变的放射性元素-因此，直到衰变链最终产生稳定的元素-铅或铋。





在这方面，在各种放射性制品（例如日本镜片或铀玻璃）论坛上的讨论以及武器和飞机中贫铀的历史，人们经常会听到一个谬论：他们说铀和or是α发射体，因此，它们的放射性可以是如果他们不进入身体就被忽略了。 是的，铀238和or 232会发生α衰变，而不伴有伽马辐射。 但是，铀238系列的后继成员迅速衰变，直到长寿命的铀234接连发生，它们具有β活性，而act 234m发出强烈的伽马射线。

另外，在天然铀中，除了第238位同位素外，总是有235位和234位同位素。 天然铀中第一个的比活度比铀低21倍 $$${} ^ {238}美$ 但是，它具有强烈的伽马辐射，如铀234，其活度几乎总是等于铀238的活度，因为它与铀处于长期平衡状态 。 因此，一块铀238足够“发光”并照亮它所在的胶片约一个小时。 th的故事大致相同，唯一的区别是刚分离的th232实际上几乎是纯α发射体，例如，日本镜片的or玻璃在制造时并未造成特殊的辐射危害。 但是随着平衡的恢复，由于镭228和后续系列中的the的积累，10的β和γ辐射强度在10-15年内显着增加-直到208 208的最终“致敬”，能量为2.6 MeV的硬伽玛射线。 这条线通常是伽马光谱中的最后一条线，除此之外，除了宇宙射线外什么也没有。

当然，最著名的铀238的“女儿”是镭226，它是居里夫妇发现的，也是玛雅可夫斯基将他的工作进行了比较而提取的：

骚扰一个字
数千吨的言语矿石...

但是新鲜铀中几乎没有镭。 在他之前还有另外24.5万年等待铀234的衰变，然后等待7万5千年-带有美丽名称“ ion”的th 230。 但是在铀矿石中，镭与铀处于平衡状态，其活性等于铀，铀的活性。 因此，铀矿石比铀本身具有更高的放射性。

这就是为什么新鲜的铀不是not 222的来源（另一种关于铀玻璃的神话）。

ium的行中也有自己的镭-228。 由于quickly系列中的平衡很快建立，因此很快就会出现镭228和随之而来的long 220。

关于ra的几句话

on是一种惰性气体。 在这方面，似乎它不应该具有高度的放射毒性，因为它实际上没有被吸收和积累。 他们思考了很长时间，即使他们对辐射的危害了解很多，,浴也是最流行的治疗方法。

但事实是，standing位于放射性排中间的（（即铀222，th 220）迅速变成铅的放射性同位素之一（（为214，为212），它沉积在肺中并永远存在。 相反，直到它衰变。 他（以及该系列的后续成员，例如铀系列，例如po210）已经有效地辐照了肺部。 ra及其衰变产物是每年辐射剂量的主要贡献。

顺便说一下，这些radio的放射性衰变产物不断落在我们头上。 而且，如果您在大雨中测量街道的背景辐射，事实证明它已经增加了-有时甚至是2-3倍。 这不是“切尔诺贝利雨”，而是福岛的后果，而仅仅是地球表面一公里长的大气中ra的腐烂​​产物。
然后这些铅和铋214将变成寿命相对较长（22年）的铅210，可用于确定自海底或其他水库的沉积物层被新层阻塞以来经过了多少时间。

而且它们还容易被地衣（如驯鹿苔藓）吸收，然后由鹿喂食。 地衣中decay衰变的子产物的浓度比其在雨水和土壤中的初始含量高许多倍。驯鹿苔藓中的铅210含量达到500 Bq / kg，这导致驯鹿肉中以及远北各民族代表的骨头中这种核素（以及po 210）的含量很高。铅210含量也很高）。结果是年剂量比居民（例如莫斯科）高35倍。

关于钾，香蕉和其他橙子

除了带有“女儿”的铀和or外，自然放射性的来源还有许多元素，这些元素除了具有稳定的放射性自然同位素外，还具有放射性。其中有一些在太阳系诞生之前的豌豆统治期间形成的同位素。它们的半衰期（如铀和th）超过了太阳系甚至宇宙的寿命。其他人的半衰期相对较短，因此无法从远古时代生存下来。它们不可能在其他放射性同位素衰变过程中形成，这意味着在某处一定存在其外观的不同来源。这些是宇宙射线。

撞入原子核的高速质子本身都会引起核反应，并导致中子和高能伽马射线的诞生，从而引起新的核反应。结果，飞向大气中的每个宇宙质子不仅导致一束介子和电子的形成，而且导致许多不稳定的核-宇宙发生的放射性核素的形成。由于它们是不断形成的事实，尽管它们的寿命相对较短（从几秒钟到数千年），但它们始终存在于大气中。可能最重要的宇宙成因放射性核素是碳14，它是在氮的宇宙射线作用下形成的。其他例子是铍7，它与ra的衰变产物一起通过特征性的伽马辐射radiation很容易在雨水中检测到。

在宇宙射线的影响下，地球大气中未形成某些宇宙射线放射性核素，但它们随这些宇宙射线一起到达。这些是氯36和铍10。
宇宙放射性核素是研究各种自然物质转移过程的重要示踪剂，是约会的放射性“钟”（每个人都知道放射性碳方法），但是它们在创造自然辐射背景方面的作用很小-在这一点上没有人可以与钾竞争- 40它们在人体中的活性（主要是碳14）仅略低于钾40的活性，但是后者的衰变能量为MeVa的一半，而碳14的衰变能量为156 keV。因此，由此产生的剂量降低了一个数量级-仅约15μSv/年。

钾的独特性在于它是几乎任何生命形式中最重要的重要元素。同时，钾与放射性钾40是分不开的，这导致其非常显着的放射性。一克天然钾的活性为31 Bq / g，人体中的钾活性约为60 Bq / kg。这项活动产生的年剂量为170μSv/年-略低于总辐射剂量的十分之一。

如您所知，香蕉富含钾，因此富含放射性同位素。实际上，钾中很多东西都很丰富-杏干，枣，坚果和一般的香蕉并不是其中的佼佼者，但其中仍然含有很多钾。一个普通的香蕉含有约半克的钾，相当于15-16贝克勒尔的钾。这项活动以及在三哩岛事故中食用一根香蕉（估计为0.1μSv）对辐射剂量的贡献被戏称为“香蕉等效物”。

实际上，剂量上的“香蕉当量”几乎为零。事实是，人体中钾的浓度是恒定不变的。人体非常痛苦地感觉到组织中钾浓度的任何严重偏差，并小心地将其保持在狭窄的范围内。如果大量钾进入人体，大量钾就会从肾脏排泄出去。钾不足-肾脏将竭尽所能。但是它在体内的含量将保持不变。因此，食用香蕉不会改变体内钾的含量，这意味着它不会产生额外的辐射剂量。

仍然有-87。它在体内的行为也像钾一样，但由于其稀有性，其对剂量的贡献很小-约为6μSv/年。

人类的手工

从发现放射性到1934年，科学家只处理自然界中存在的那些放射性元素。1934年，弗雷德里克（Frederic）和艾琳·乔利埃特·库里（Irene Joliot-Curie）研究了在α粒子通量的影响下自由中子的形成，发现在停止照射后，铝靶材继续发射一些粒子（后来证明是正电子），其通量迅速衰减。因此，进行了放射性同位素的首次人工合成：

$$

$${}^{27}_{13}Al + \alpha\rightarrow n+{}^{30}_{15}P$$

用化学方法证明了放射性磷的形成：当变成放射性的铝溶解在盐酸中时，所有活性都以氢磷的形式进入释放的气体中。然后Joliot-Curie配偶也显示出其他人工放射性同位素的形成：通过用α粒子辐照硼，获得了放射性氮，以及通过辐照了镁-铝。炼金术士将某些元素转化为其他元素的梦想成真。使用最新创建的带电粒子加速器可提高生产效率，借助它们不仅可以合成许多已知元素的放射性同位素，而且还可以合成自然界中不存在的那些元素。首先是1937年发现的埃米利奥·塞格雷（Emilio Segre）的s，此后的名称表明了它的人造起源。然后是法国，a，然后是第一个超铀元素-,、 ......

最后，人们发现了它，这也许是新的人工同位素最强大的来源：核裂变。

就像我在上面说的，对于重核，整个核的整体存在与其破坏相比在能量上没有优势。然而，由于“整个核”和“单个碎片”的状态之间存在明显的能量屏障，因此原子核保持完整。即使对于最重的核（铀，th，超铀元素），自发克服这种障碍的可能性也很小。如果可分离的片段是α粒子，则更大，这决定了这种核的α活性。但是，磁芯分裂成几个几乎相同的“碎片”的可能性很小，这些碎片在静电排斥的影响下会立即飞散。但是，如果核被外部的任何粒子激发而“加热”，核裂变的可能性就会急剧增加。最简单的方法是使用中子：他不需要克服库仑障碍。受激磁芯发生变形，然后断裂。重要的是，在裂变过程中，不仅通常会形成“碎片”，而且还会形成自由中子，自由中子也能够在其他原子核中引起裂变。这个过程是我们这个时代所有核能的基础，它产生了大量种类繁多的放射性同位素：核“碎片”几乎可以是任何种类，我们能否发现和隔离它们，仅取决于它们的寿命。在强烈的核反应中（特别是在核爆炸中）产生的强大中子通量能够产生非常重的超铀元素。 in和fer成为了这种“核爆炸的后代”。还有较轻的p 、,completely和加利福尼亚是在反应堆中完全以工业量获得的。

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放射性同位素作为放射源具有一种性质，这既是优点也是缺点。 它自己“工作”，而不依赖于任何事物。 不可能“关闭”放射源-仅将其隐藏在厚铅层之后。

但是裂变反应可以（并且应该）得到控制。 发生自持裂变反应的先决条件是，在裂变事件期间产生的中子数量足以填满用于裂变本身的那些中子和那些在不引起裂变的情况下离开活动区的中子：被吸收或俘获，或简单地飞越它。 这是一个关键条件。 中子的形成超过了必要的数量-反应加速，像雪崩一样，其强度呈指数增加。 中子不足-反应正在消失。

通常将核反应堆主要视为中子源。 在这样一个（或几个）研究堆周围，通常会建立一个整个科学中心，在其中进行各种研究和实验，这需要强大的中子通量。 这些是使用中子衍射的晶体结构研究，基于将稳定元素转化为放射性同位素的化学分析的各种方法（中子活化分析），辐射对物质（包括生物分子和一般生物）的影响的研究等。

这种反应堆的选择之一是脉冲核反应堆。 在一些核物理普及者看来，这几乎是一颗原子弹：“如果我们将两片铀放在一起，我们将得到一个直径半英里的漏斗。” 这正是在脉冲反应堆中发生的事情：当一块铀迅速飞过另一块铀时，瞬间就形成了临界质量。 在这种情况下形成的中子爆发，其强度可能是常规能源或研究反应堆的中子通量的数千倍。

核反应堆是中子的良好来源，但固定，昂贵，笨重且危险。 在普通实验室或野外，要么使用通过自发裂变产生中子的California-252，要么使用基于α粒子与铍，硼或铝的反应的来源来产生中子通量。 但是，这样的源强度低，不可避免地会与中子一起产生伽马射线。 这样的源具有所谓的中子管形式的替代物。

实际上，这也是一个反应堆，只是一个热核反应堆：核聚变反应是在中子管中进行的。 的确，实现它所花费的能量比释放所消耗的能量多得多，但是它提供了中子通量。 最重要的是，关闭的中子管实际上是安全的（除了其结构元素的某些激活以及管内一定量的tri之外），从这个意义上讲，它类似于X射线管。 核聚变是在氘核和氘核的作用下，在ium的靶标上发生的，并通过氘中的气体放电而加速。

后记

电离辐射不是一个新现象。 与流行的看法相反（我已经在前几篇文章中写过关于该主题的一些神话），人为辐射源在绝大多数人的辐射剂量中所占的比例很小。 但是，人为源造成急性辐射损害的最大危险。 天然地面辐射几乎永远不会直接威胁生命-唯一的例外是一些最富铀矿床的开发工作。 但是，人工资源已经杀死了很多人。 这些是从事铀和p工作的物理学家，他们是在SCR的爆发下摔倒的，是广岛和长崎爆炸案的受害者，还有切尔诺贝利和其他鲜为人知的辐射事故的受害者。 在某些情况下，人们会因丢失或被盗的辐射源而丧命，或者在不知不觉中发现自己处于强辐射区并在几秒钟内获得致命剂量。

在下一篇文章中，我将介绍这一点，或者更确切地说，是关于辐射安全。

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