你或許在小說(shuō)和現(xiàn)實(shí)生活中都聽(tīng)人們談?wù)撨^(guò)輻射。例如，當(dāng)《星際旅行》中的企業(yè)號(hào)接近某個(gè)星球時(shí)，一名船員會(huì)根據(jù)輻射水平發(fā)出相應(yīng)的警告。在湯姆·克蘭西（Tom Clancy）的小說(shuō)《獵殺紅色十月號(hào)》中，俄國(guó)潛艇發(fā)生了核反應(yīng)堆事故并導(dǎo)致了核泄漏，這迫使船員棄船。在三里島和切爾諾貝利核事故中，
核電站向大氣中泄露了放射性物質(zhì)。
核輻射可以是極度有益的，也可以使極度危險(xiǎn)的。這取決于怎樣利用它。核材料（即那些能夠放射出核輻射的物質(zhì)）非常常見(jiàn)，它們通過(guò)很多不同方式進(jìn)入了我們的日常詞匯中。你很可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)（或者用過(guò)）下面的這些術(shù)語(yǔ)：
鈾 钚 阿爾法射線 貝塔射線 伽馬射線
X射線 宇宙射線 輻射
核能核彈 核廢料
核沉降核裂變中子彈 半衰期 氡氣 離子煙霧探測(cè)器
碳-14年代測(cè)定法這些術(shù)語(yǔ)被這樣的事實(shí)聯(lián)系起來(lái)，那就是它們都與天然的或者人造的核素有關(guān)。但輻射到底是什么？它為什么如此危險(xiǎn)？在本文中，我們將介紹一下核輻射，讓你確切理解它到底是什么以及它給我們的日常生活帶來(lái)了怎樣的影響。
讓我們首先理解一下“核輻射”中的“核”這個(gè)字的由來(lái)。這里是一些你應(yīng)該已經(jīng)接受了的概念：世間萬(wàn)物都是由原子組成的。
原子結(jié)合起來(lái)構(gòu)成分子。比如，水分子就是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子束縛在一起形成的一個(gè)獨(dú)立的單元。因?yàn)槲覀冊(cè)谛W(xué)就了解了原子和分子的概念，我們可以理解并輕松地接受它們。在自然界中，你所能找到的任何原子都是92種原子中的一種，它們也被稱為元素。因而，地球上的任何物質(zhì)——金屬、塑料、頭發(fā)、衣物、樹(shù)葉、玻璃——都是由自然界中發(fā)現(xiàn)的92種原子組合而成的。你在化學(xué)課上看到的
元素周期表是自然界中發(fā)現(xiàn)的以及人工制造的元素的一張列表。
每個(gè)原子的內(nèi)部都有三種亞原子粒子：質(zhì)子、中子和電子。質(zhì)子和中子結(jié)合起來(lái)形成原子的原子核，而電子包圍原子核并沿軌道繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。質(zhì)子和電子因?yàn)閹в邢喾吹碾姾啥ハ辔娮訋ж?fù)電而質(zhì)子帶正電，異性電荷互相吸引），而在大多數(shù)情況下，一個(gè)原子的電子數(shù)和質(zhì)子數(shù)是一樣的，這樣使得原子呈電中性。中子是電中性的。它們?cè)谠雍酥械淖饔檬菍①|(zhì)子束縛起來(lái)。因?yàn)樗匈|(zhì)子都帶同樣的電荷，所以它們互相排斥。中子則扮演了“膠水”的角色，將質(zhì)子緊緊地約束在原子核中。
原子核中的質(zhì)子數(shù)決定了原子的表現(xiàn)。例如，如果將13個(gè)質(zhì)子和14個(gè)中子結(jié)合起來(lái)組成原子核，然后讓13個(gè)電子繞原子核旋轉(zhuǎn)，這樣就得到了鋁原子。如果將幾百萬(wàn)個(gè)鋁原子組合起來(lái)，就能得到鋁——你可以將鋁成型為鋁罐、鋁箔和鋁板。在自然界發(fā)現(xiàn)的所有鋁都被稱作鋁-27。這里的“27”是原子質(zhì)量數(shù)即原子核中的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之和。如果你將一個(gè)鋁原子放到瓶子中，等上幾百萬(wàn)年，它將仍然是一個(gè)鋁原子。鋁-27 因而被稱為穩(wěn)定的原子。在大約100多年前，人們以為所有的原子都像鋁原子一樣是穩(wěn)定的。
很多原子以不同的形式出現(xiàn)。例如，銅有兩種穩(wěn)定形式：銅-63（約占自然界中所有銅的70%）和銅-65（約占所有銅的30%）。這兩種不同的存在形式叫做同位素。兩種銅同位素的原子都有29個(gè)質(zhì)子，但是銅-63原子有34個(gè)中子而銅-65原子有36個(gè)中子。兩種同位素的性質(zhì)和外觀相同，并且都是穩(wěn)定的。
本圖中，黃色的粒子是軌道中的電子，藍(lán)色的粒子是中子，紅色的粒子是質(zhì)子。
某些元素有放射性的同位素，這一點(diǎn)直到約100年前才被人們理解。某些元素的所有同位素都是放射性的。氫就是一種擁有多個(gè)同位素的元素，而且其同位素之一是放射性的。普通的氫，或者氫-1，有一個(gè)質(zhì)子而沒(méi)有中子（因?yàn)樵雍酥兄挥幸粋€(gè)質(zhì)子，所以不需要中子提供的約束作用）。另一種同位素，氫-2（也被稱為氘），有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。氘在自然界中含量稀少（占所有氫的0.015%），盡管它的性質(zhì)和氫-1一樣（例如，你可以用它來(lái)合成水），但它在高濃度下是有毒的。這一點(diǎn)就將它和氫-1劃清了界限。氫的這種氘同位素是穩(wěn)定的。第三種同位素氫-3（也被稱作氚）有一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。這種同位素是不穩(wěn)定的。也就是說(shuō)，你有滿滿一容器的氚，放上一百萬(wàn)年，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都變成了穩(wěn)定的氦-3（有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）。氚轉(zhuǎn)變成氦的過(guò)程叫做放射性衰變。
某些元素的所有同位素天然就是放射性的。鈾就是這樣一種元素，并且是最重的天然放射性元素。還有8種天然放射性元素：釙、砹、氡、鈁、鐳、錒、釷和鏷。所有其他比鈾重的人造元素也都是放射性的。
放射性衰變是一種自然過(guò)程。一種放射性同位素的原子將會(huì)自發(fā)地通過(guò)下列三種常見(jiàn)的過(guò)程之一衰變?yōu)榱硪环N元素： 阿爾法衰變 貝塔衰變 自發(fā)裂變
在這個(gè)過(guò)程中，可以產(chǎn)生四種不同的放射線： 阿爾法射線 貝塔射線 伽馬射線 中子射線
放射性元素镅-241最為人們所知的用途是用于煙霧探測(cè)器。它是發(fā)生阿爾法衰變的一個(gè)很好的例子。镅-241原子能自發(fā)地輻射出阿爾法粒子。一個(gè)阿爾法粒子是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子束縛在一起形成的，它等效于一個(gè)氦-4原子核。在釋放阿爾法粒子的過(guò)程中，镅-241原子轉(zhuǎn)變?yōu)轱?237原子。阿爾法粒子以很高的速度離開(kāi)衰變現(xiàn)場(chǎng)——或許達(dá)到了16,000公里/秒。
如果觀察一個(gè)單獨(dú)的镅-241原子，你無(wú)法預(yù)測(cè)它什么時(shí)候會(huì)釋放出一個(gè)阿爾法粒子。不過(guò)，如果有大量的镅原子，那么衰變速度就變得非常有規(guī)律。對(duì)于镅-241，已知有一半的原子會(huì)在458年內(nèi)發(fā)生衰變。因此，镅-241的半衰期是458年。每種放射性元素都有不同的半衰期，根據(jù)同位素的不同，半衰期短的不足一秒而長(zhǎng)的有數(shù)百萬(wàn)年。例如，镅-243的半衰期是7,370年。
氚（氫-3）是發(fā)生貝塔衰變的元素的一個(gè)很好的例子。在貝塔衰變中，原子核中的一個(gè)中子自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)被稱為反中微子的粒子。原子核放射出電子和反中微子，而質(zhì)子則會(huì)留在原子核中。放射出的電子被稱為貝塔粒子。原子核失去一個(gè)中子而得到一個(gè)質(zhì)子。因此，一個(gè)氫-3原子經(jīng)過(guò)貝塔衰變變成一個(gè)氦-3原子。點(diǎn)擊下圖中的“Go”按鈕，你可以看到中子的變化。
在自發(fā)裂變中，一個(gè)原子實(shí)際上是發(fā)生分裂而不是發(fā)射出阿爾法或者貝塔粒子。“裂變”這個(gè)詞就意味著“分裂”。一個(gè)重原子如鐨-256衰變時(shí)有97%的時(shí)間是自發(fā)裂變，在這個(gè)過(guò)程中，它變成兩個(gè)原子。如，一個(gè)鐨-256原子可能會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)氙-140原子和一個(gè)鈀-112原子，在這個(gè)過(guò)程中它釋放出4個(gè)中子（因?yàn)樗鼈兪窃诹炎兯查g被釋放出來(lái)而被稱為“瞬發(fā)中子”）。這些中子能被其他原子吸收并引發(fā)核反應(yīng)（如衰變或裂變），或者與其他原子像臺(tái)球那樣碰撞，并釋放出伽馬射線。
中子輻射可以被用來(lái)將非放射性原子轉(zhuǎn)化為放射性原子；這被實(shí)際應(yīng)用于
核醫(yī)學(xué)中。中子輻射同樣可以由核電站和核動(dòng)力艦船中的
核反應(yīng)堆和用來(lái)研究亞原子物理的粒子加速器來(lái)產(chǎn)生。
在很多情況下，發(fā)生阿爾法衰變、貝塔衰變或者自發(fā)裂變的原子核高度活躍，因而不太穩(wěn)定。它會(huì)以電磁脈沖的形式釋放出額外的能量，這種電磁脈沖叫做伽馬射線。伽馬射線和
X射線類似，也能穿透物體，但是伽馬射線的能量比X射線更強(qiáng)。伽馬射線由能量構(gòu)成，這與阿爾法和貝塔粒子那樣的運(yùn)動(dòng)粒子不同。
提到各種射線，還有一種無(wú)時(shí)無(wú)刻不轟擊著地球的宇宙射線。宇宙射線來(lái)自
太陽(yáng)以及諸如爆炸的
恒星之類的星體。大多數(shù)宇宙射線（可能有85%）是以接近
光速飛行的質(zhì)子，而大約12%是以很快速度運(yùn)動(dòng)的阿爾法粒子。順便提一下，正是粒子的速度賦予了它們穿透物體的能力。當(dāng)它們撞擊大氣層時(shí)，它們與大氣中的原子以各種方式碰撞并形成能量較低的次級(jí)宇宙射線。然后，這些次級(jí)宇宙射線再與地球上的其他物體（包括人類）碰撞。我們隨時(shí)都被宇宙射線撞擊著，但是由于次級(jí)射線比初級(jí)宇宙射線的能量低，所以我們并不會(huì)受傷。但初級(jí)宇宙射線對(duì)處于外太空的宇航員來(lái)說(shuō)是一個(gè)威脅。
放射性原子自然地衰變，放射性元素也是大自然的一部分，從這個(gè)意義上講核輻射是“自然的”。盡管如此，所有的放射性照射對(duì)生物來(lái)說(shuō)都是危險(xiǎn)的。阿爾法粒子、貝塔粒子、中子、伽馬射線以及宇宙射線都被稱為電離輻射，這個(gè)概念的意思是，當(dāng)這些射線作用到原子上時(shí)，會(huì)將其軌道上的一個(gè)電子撞出來(lái)。失去一個(gè)電子將會(huì)給任何生物帶來(lái)問(wèn)題，小到細(xì)胞死亡，大到遺傳變異（誘發(fā)
癌癥）。
因?yàn)榘柗Ｗ颖容^大，所以他們不能在物體中穿行太遠(yuǎn)。例如，它們無(wú)法穿過(guò)一張紙，所以當(dāng)它們?cè)谖覀兩眢w外部時(shí)，對(duì)我們并沒(méi)有影響。但是，如果我們食入或者吸入輻射阿爾法粒子的原子，它們就能夠在我們體內(nèi)引起很大的損害。
貝塔粒子穿透能力稍強(qiáng)一些，但也只有在被食入或者吸入時(shí)才是危險(xiǎn)的；它能夠用一片鋁箔或者有機(jī)玻璃擋住。伽馬射線以及X射線則需要用鉛來(lái)遮擋。
中子因?yàn)闆](méi)有帶電，所以能夠穿行很深。它們最好使用非常厚的混凝土層或者水或燃料油等液體層來(lái)阻擋。伽馬射線和中子的穿透能力是如此之強(qiáng)，以至于它們能對(duì)人類和其他動(dòng)物的細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。你可能多少聽(tīng)說(shuō)過(guò)一種被稱為中子彈的核裝置。這種炸彈的總體原理就是通過(guò)優(yōu)化中子和伽馬射線的產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物的最大殺傷性。
如前所述，放射性是“自然存在的”，我們所有人體內(nèi)都含有類似于放射性
碳-14這樣的物質(zhì)。我們的環(huán)境中同樣存在很多有害的人工放射性核素。核輻射有很大的好處，如利用核能來(lái)發(fā)電以及利用核醫(yī)學(xué)來(lái)檢查和治療疾病，但它同樣也有巨大的危害。
