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发信人: cs (cs), 信区: Physics
标  题: 世纪发现之--放射性
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月31日12:20:17 星期四), 站内信件

〖本文摘自《百年科学发现》〗
　　　　　　放射性——杀人不见血
　　　　　　　　　·谢培·
　　在人们对前苏联切尔诺贝利核电站事故梦魇般的记忆还没有消
退的时候，1999年的9月30日，日本茨城县东海村ＪＣＯ核材料
加工厂发生了一起严重的核泄漏事故。这次事故使得几十人受到了
不同程度的核幅射，周围农作物遭到核污染，被认为是日本原子能
技术史上最严重的事故。关于事故发生的原因，ＪＣＯ公司的解释
是：工作人员改变操作程序，把溶解槽中的核物质溶液用不锈钢容
器未经储藏塔而直接倒入沉淀槽，使沉淀槽中过量的核物质“发生
核裂变”而引起的。而直接肇事者，正是那名受核辐射最严重的工
人。根据警方的讯问，该厂一些工人甚至连一些核常用术语也不懂。
　　事隔不久，位于韩国庆尚北道庆州市附近的月城核电站三号机
组10月4日晚间发生核泄漏事故，22名职工受到轻度核辐射。该
核电站的三号机组4日晚间正在进行冷却水泵维修作业时，约45公
升的重水突然外泄，使正在作业的22名职工受到微弱的核辐射。据
韩国电力公司的测定，这些职工受核辐射的程度不重，除3人外，
其余19名职工已恢复正常工作。泄漏的4 5公升重水也已全部回收。
幸而，核物质没有泄漏到电站外部，对周围环境不会造成影响。目
前正组织原子能安全院的专家对事故的原因进行调查。
　　接二连三的核泄露事故，再次引起了人们的恐慌，也再度激起
了人们对战争和核武器的可怕回忆，人人谈“核”变色。那么，为
什么核辐射会有那么大的威力呢？这需要从放射性的发现讲起。
放射性的发现
　　
　　物质是由原子组成，一个原子又是由一个原子核和环绕在原子
核外的一群电子组成，原子核则由质子和中子组成。但是，相同元
素的原子可以在核内有不同数目的中子，例如一种氦在核内有一个
中子，而另外一种内有两个中子。这两种不同形式的氦就是氦的同
位素。
　　某些原子核能自然的变成其它种原子核，这种性质称为放射性。
这种自然的变化叫放射性衰变。发生这种变化或其它种变化的核种
称为放射性核种，或放射性同位素。在这种变化当中，原子核以放
出粒子或γ射线的方式放出能量，γ射线和Ｘ射线很相象。这些方
放出来的能量叫辐射，能够用来做许多有有益的事，如：发电、杀
死癌细胞、杀死食物中的细菌等。但是，放射性也是一把双刃剑，
如果使用不当是相当有害的。
　　法国科学家贝克勒耳是放射性的发现者，他的发现开启了现代
核子物理学的发展。他是19－20世纪交替期间法国最杰出的物理学
家。贝克勒耳因为发现了放射性和居里夫妇共同获得1903年的诺贝
尔物理奖。
　　贝克勒耳生于巴黎的一个科学世家。他的父亲、祖父、都是物
理学家。并且从他祖父到他儿子这四代人，蝉联了国家自然博物馆
应用物理学教授之职。贝克勒耳出生于1852年12月15日，从1872
年起在巴黎高等工业学校接受理科教育。1874年毕业后又在公路桥
梁学院工科方面深造。1894年，他被任命为公路桥梁部总工程师。
从1895年起，他在巴黎高等工业学校任物理学教授。
　　贝克勒耳早年曾研究由磁场引起平面偏振光的旋转，在这之后
他又研究红外辐射，尤其仔细观察在红外线激发下不同磷光晶体的
光谱。1897年成为科学院的院士。
　　在贝克勒耳发现放射性时，还有一段有趣的故事。1895年底，
伦琴发现由阴极射线管中荧光点射出Ｘ射线，这使贝克勒耳受到启
发，想到其它物质于荧光或磷光中的作用，或许也可以发射出这种
光。为了检验他的想法贝克勒耳用黑纸包住摄影胶片以隔绝光线，
然后将一含有磷光物质的晶体（该晶体碰巧含有一些铀）放在裹住
的胶片上，再将晶体和胶片放在阳光下，使晶体发出磷光。他想，
如果该磷光晶体发出穿透性的射线，就会穿透黑纸使照片曝光。结
果，照片上真的呈现出晶体的影象。这一结果使贝克勒耳认为他的
假设已经获得证实。
　　但是，此后不久当贝克勒耳再想进行类似实验时，因为阴天的
缘故，他只好将包裹好的胶片和晶体放如黑暗的抽屉。由于这种晶
体在离开阳光后磷光作用维持不到1／100秒的时间，因此贝克勒耳
并不认为晶体能发出穿透性辐射而影响底片。所以，当贝克勒耳再
一次要进行该实验时，为避免胶片可能已经曝光而影响实验的正确
性，改用了一张新的胶片。当显影新胶片时，贝克勒耳心血来潮地
也将旧的胶片一起显影，却意外的发现旧胶片上也清晰的显现出晶
体的影像。这种晶体居然在黑暗中发出穿透性射线，可见这种辐射
并不像早先假设的那样和晶体磷光现象有关。因此，贝克勒耳修正
了自己的看法，并假设这种穿透性辐射来自晶体中的铀，铀即使没
有受太阳光紫外线的作用，仍继续发出穿透性辐射。贝克勒耳进一
步证明了他的假设，并指出铀在发出可见辐射的同时，还会射出某
种与Ｘ射线非常类似的东西。1896年贝克勒耳先后发表了7篇论文
阐述他所发现的射线，这就是后来居里夫人成为放射性的现象。
　　贝克勒耳的发现曾一度不为人所注意，直到1898年放射性研究
的对象扩大到另一已知元素钍并且发现了新的放射性物质破：钋和
镭后，贝克勒耳发现的放射性才引起人们的重视。
　　贝克勒耳另一项主要成就是发现辐射的生理效应。别的科学家
也许在他之前就已经注意到了这点，可是在1901年他报道了他内衣
口袋里装着居里夫妇提取的放射性样品时遭到灼伤的消息，这才激
起医生们对这一课题的研究。
　　贝克勒耳铀放射性状的发现引起了居里夫妇的注意，他们对其
进行研究后，决定寻找与铀一样有同样性质的其它物质。1898年他
们宣布发现的钋（这是纪念居里夫人的祖国波兰而命的名）和镭两
种。同年在研究钍时，居里夫人头一次使用了“放射性”这个术语。
通过测定磁场对镭射线的作用，皮埃尔·居里证实有三种不同的射
线，这就是后来卢瑟福称为的α、β、γ的射线。皮埃尔不久应用
测热学研究辐射作用并发现镭的生理效应。由于发现放射性，居里
夫妇和贝克勒耳因为发现放射性，共同获得1903年的诺贝尔物理
奖。
　　1910年居里夫人发表关于放射性重要论文并制取金属态的纯
镭。在第一次世界的战期间，居里夫人用Ｘ射线为伤员诊断、治疗。
1922年居里夫人被选为医学研究会会员，此后，她专心致力于化学
和放射性物质在医学上的应用研究。
放射性的应用
　　对放射性物质的利用是人类将一种潜在的有害物质变成有益于
人类的最佳例子。放射性物质应用的范围极其广泛，在工业、农业、
生物学、医学和科技分析等领域广泛使用。
　　在癌症的治疗上，辐射常被用来消灭恶性细胞。治疗时，来自
钴－60γ射线的大剂量的辐射会用于身体的特殊部位。这项研究的
重点在于利用介子与中子做放射性治疗，因为这些粒子能够在目标
区域内产生更为集中的剂量。另一种放射治疗技术是将一根含有会
放出短距辐射粒子的放射源的细针插入患处，这项技术可减少周遭
正常细胞受到的辐射剂量。
　　用放射核种做放射性同位素示踪研究现在也非常常见。因为即
使是非常微小的剂量也极易被侦测到，所以样品里只要加一点点放
射性物质就有了标志，这时就可以用灵敏的辐射侦检器追踪这一样
品在被研究系统里的动向。
　　某些长命的放射核种能够用来测定样品的年代。其方法是测量
存在于样品中该放射核种的量，有的时候还需要测量另一种相关核
种的量。比如，测量活在以前样品中碳－14的含量，就能够决定样
品的年代约至25000年以前；而测量氩－40对钾－40的比值，就能
决定样品的年龄至10亿年左右。
　　在保存某些事物上γ射线可以大显身手。将食物暴露于极大剂
量的γ射线下，可以杀死所有的细菌。而且经过这种方法杀菌的食
物可以长期贮存而无须冷藏。用较小的辐射剂量也能杀死食物里的
细菌，这种方法可以使细菌减少到一定程度，从而在适当的冷藏条
件下大大的延长食物的保质期。用辐射处理食物的最主要的优点之
一就是食物的气味、味道、外观和质地都不会有多少改变，而化学
处理、脱水或冷冻就不会这样。之所以能用辐射的方法保存食物，
是因为用γ射线做辐射源食物本身并不会变得有放射性。此外，辐
射也能用来保护贮存的谷类，也就是说可以杀死存在谷中的小虫和
它们的卵。
　　保存食物的技术还能推广到医学的杀菌和灭虫上。钴－60γ照
射是对医院用品杀菌的一个方便的方法。用辐射停孕法还可以使果
蝇、采采蝇、虐蚊和其它昆虫的数目大幅度减少。
　　辐射也可以用来测量厚度。例如，用γ射线来测量塑胶、金属、
以及其它材料所做的薄片的厚度。密度也常常用放射性同位素的方
法测量，尤其是当液体里搀杂了气体时，如蒸汽混在水管里。这是
因为γ射线穿过密度较小的蒸汽比穿过水容易，所以由穿透水管的
辐射量可以测知蒸汽对水的比例。
　　最为大家所熟悉的是利用辐射做放射照相了，尤其是Ｘ射线已
经是一个成熟的技术。Ｘ射线照相常用在医疗诊断上。Ｘ与γ射线
照相技术也常常用在工业上，以检查管道焊接或飞机翅膀上有无裂
痕或缺陷。
　　放射性同位素衰变时放出来的能量曾被用在小的特殊目的的发
电厂里发电。放出的α或β粒子将其能量以热的形式交出，在利用
两种金属在不同的温度下，起电磁性质的差异，可将热能转换为电
力。最常用的放射核种之一是钋－238，这是一强力α放射核能产生
每公斤560瓦的热功率。
放射性的危害
　　众所周知，地球上的生物一直暴露在自然放射性和宇宙射线的
照射之下，然而实验室中产生的Ｘ射线以及地壳内痕量的放射性物
质，例如镭，也增加了对人类生命的威胁。尽管辐射能够给人类做
一些有益的事情，如杀死癌细胞等，但是大剂量的辐射会对人体造
成伤害，使人致病或死亡。而且相对于其它动物而言，哺乳类动物
对放射性要更为敏感。一些早期放射性研究者，如居里夫人及其女
儿都因接受了过量的辐射而死于白血病。尽管如此，人体对最大辐
射容许剂量以下的辐射还是有一定抵抗能力的。
　　拿常用的核物质铀及钚来说，它们大概有200种令人头痛的放
射性裂变产物。这些裂变后的碎片由于辐射的能量和性质的不同，
在不同程度上对人体都有害处。其中，钚大多为一种人工合成剧毒
元素，钚原子核释放出肉眼无法察觉的射线，能穿透和致害人体细
胞，造成放射性疾病和癌症，对自然环境也有很大的破坏，其半衰
期达数万年以上，即使是低度放射性的核废料，也要经过500到600
年才能完成衰变。
　　自从爱因斯坦提出质能方程Ｅ＝ｍｃ2，为人类指明了一条获得
能源的新途径之后，核能就一直在天使与魔鬼之间不停的切换着所
扮演的角色。一方面，核能被称为是最“干净”的能源，另一方面，
核事故多少会让人背后阵真发冷。但是我们切切不可不分青红皂白
地谴责核这个问题。据统计，民用核能造成的危害比矿物能源要小。
在长期后果方面，人们认为切尔诺贝利核电站的核泄漏在未来50年
内可能会导致3500人患癌症死亡；而相比之下，由放射性透视检查
造成的癌症患者为5000人，由自然放射（比如氡气）引起的癌症患
者为6000至7000人。相反，最近的病理研究表明，在核电站附近
并没有发现白血病患者的人数有什么明显的上升。但是，由于核辐
射对人类危害的长期性，我们必须加强对它的警惕。实际上，许多
核事故应归咎于人类本身的操作不当。让我们回顾一下当年的切尔
诺贝利核事故。　　　
　　1986年4月26日，前苏联乌克兰境内的切尔诺贝利核电站发
生爆炸。这是继美国三里岛核电事故后的又一震惊世界的大事故。
该事故是在第4号机组停机期间发生的，反应堆的能量突然增加，
蒸汽的大量产生和随之发生的反应导致氢的形成和爆炸，引起大火，
反应堆被毁。
　　在这次事故中死亡31人，200多人受到严重的放射性辐射。两、
三年后，核电站周围地区癌症患者、儿童甲状腺患者和畸形家畜急
剧增多。成人癌症患者成倍增加，包括皮肤癌、舌癌和口腔癌患者。
在起初还出现过孪生子增多的现象。
　　前苏联人民为切尔诺贝利的捐款达5.4亿卢布。核电事故两年
来，约26万人参加事故处理工作，为出事的4号反应堆建起了掩蔽
物（石棺），清除了600个村庄的污染物，清理了2100万平方米的
受污染的设备，掩埋了50万立方米的“脏土”，恢复了3个发电机
组的生产，为撤离居民建了2.1万幢住宅及1.5万套住房，初步为
核电站工作人员建成了新的生活区－斯拉夫奇切城。此外，为防止
附近的普里皮亚季河河水受到核电站的污染，筑起了一座长2公里、
深入地下30米的坝，将核电站与河隔开，以防止污染元素通过地下
渗水层进入河里。
　　前苏联在总结这起核电站爆炸原因时指出：有关人员玩忽职守，
粗暴地违反工艺规程是造成事故的主要原因。事故是在核电站人员
进行一项实验时发生的。这项实验的内容是如何利用涡轮发电机被
关闭时，由于惯性旋转新产生的电能。在此过程中出现了一系列粗
暴违反操作规程：
　　一、按规定，在反应堆的反应区内至少应有15根控制反应的控
制棒，而在事故发生时只有8根。
　　二、反应堆产生的蒸汽是供给两台涡轮机的。在关掉涡轮机时，
自动保护系统会立即关掉反应堆。但核电站人员在实验之前先切断
了这个自动保护系统。这样，在关掉涡轮机开始实验时，反应堆仍
在继续工作。
　　三、在此同时，还把蒸汽分离器的安全联锁系统也关掉了。这
种作法宛如飞机要降落时，驾驶员却不放下轮子。
　　违反工艺规程的后果是：电站人员把涡轮发动机惯性旋转产生
的电能用于开动水泵，水泵送出的水通过装有1700根含有铀燃料管
的核反应堆，并将其产生的热带走；当涡轮机被关掉时，它的转速
下降，水泵的送水量也随之减少，管道中的水开始沸腾，生成蒸汽。
气泡数倍的增加使反应堆的功率急剧上升，燃料棒温度升高，水全
部变成蒸汽，导致功率超限，反应区内压力骤然上升，产生了爆炸。
　　爆炸破坏了反应堆，使反应堆内的铀燃料（180吨二氧化铀）
的3％（约5吨）被释放到大气中，这相当于5000万居里的放射性。
爆炸威力相当于数吨ＴＮＴ炸药。
　　据统计，大约有400万人仍生活在受核污染的区域内。在事故
发生后的第一年有14·4万公顷的土地不能耕种，49·2万公顷的
林区不能作业，许多工农业企业都停了工。在1986年春、秋季，11·6
万人被迫迁出了危险区，30人因遭受剧烈核幅射而死亡。1986－1989
年，核事故造成的直接损失和用于处理善后的开支达92亿卢布，间
接造成的损失难以统计。
　　1991年10月11日，切尔诺贝利核电站2号机组由于一个开关
发生故障引起大火。11月1日，当地时间13：29分，切尔诺贝利
核电站再次发生起火事故，正在维修的一号机组机房的电缆突然起
火。但电站及其周围地区的核辐射未因此而发生变化。这是该电站
不到一个月中发生的第二次事故。
1996年12月27日，乌克兰国家核动力委员会宣布，根椐乌克兰和
七国领导人达成的协议，切尔诺贝利核电站从2000年起停止使用。
而这次日本的核事故也是由于造作人员缺乏相关的知识，违反操作
规程所致，因此只要人们提高警惕，正确有效的利用核能，核能就
会降伏于人类，为人类社会的发展作出贡献。
　　相形之下，我国的大亚湾核电站，以其严格的造作规程，就给
人以更多的安全感。
　　核电站主要由核反应堆和发电机组两部分组成，即人们通常所
说的核岛与常规岛。与火电厂不同，在核电厂看不到高大的烟囱和
滚滚的烟尘，也不见车水马龙的繁忙景象，两台90万千瓦的大型发
电厂，定员只有一千名职工。进入厂区要经过严格的检查；打磁卡、
按密码，只有一切核对准确无误后，才能通过。厂内的一切都井井
有条。进入常规岛后，登上13米高的工作平台，两台90万千瓦的
发电机组赫然在目。核电厂与火电厂一样，采用蒸气发电——在常
规岛与核岛的相连处，我们看到了三根巨大的蒸气管道。不同的是，
核电厂采用铀作为燃料，将水加热后产生蒸汽，再推动发电机组。
核能作为一种清洁能源，在污染日趋严重，石油与煤炭等能源日益
短缺的情况下，核能开始显示出了无可替代的优点。大亚湾第一核
电厂每年用的原料，只要两卡车就能拉走。
　　核岛是可能有辐射影响的工作区。进入这一区域的安检更加严
格。在大亚湾核电站，有一千多条操作规程，七千多个维修条例，
工人上班都必须严格执行。进入机房前，身上只留下了一条短裤，
然后换上白色的连衣裤。进入核岛的人都要进行辐射剂量监测。每
一个人都带上电子放射测量器——上面的数字显示是0。在工作区，
核辐射一有变化，就会在电子测量器上显示出来。
　　核燃料库，一池碧水，清澈见底，这水是加了硼的，因为硼能
吸收中子。一箱箱核原料就静静地放置在水底。水池深12米。这些
核原料，只要“水落石出”，一分钟就可以致人死命。在池子里，清
水在不断流动，因为核原料仍在放出热量，需要及时降温。每次换
料，要更换5 0个左右燃料组件，但核原料更换都是在水中运行的，
不会对人体造成危害。大亚湾核电站采用的是压水堆，而且核岛外
加了厚达90厘米的预应力安全壳，衬有6毫米钢板，能确保任何放
射性外泄。根据运行规定，若有两项与安全有关的部件发生故障，
便要关掉反应堆。当走出核岛时，仍要进行各种检查，包括核辐射
测试。
展望
    　放射性物质已广泛应用在许多装置中，包括烟雾探测器。另外
一些复印机上也使用条状的放射性物质消除纸张间的静电。现在，
科学家们还在积极探索，以便在更深更广的领域加强对放射性的利
用。研究人员期待用核能为微型装置提供动力就是目前正在开发的
项目之一。
　　世界各地的研究人员正在开发宽度小于人的头发的微型装置，
用于从生化传感器到医学植入体的各种用途。但这方面存在着一个
障碍。目前还没人能拿出一种与这么小的微型机械装置相匹配的能
源。因为，要想实现这些装置的全部潜在用途，需要有这样一种能
源，它既能提供强劲的动力，又要小得足以安装在同一块芯片上。
　　现在，科学家已经开始了一个利用核能来提供能量的项目，这
些微型装置的能源不是靠转动的涡轮机来发电，而是利用微量的放
射性物质，最适合这种技术的元素是1898年由居里夫妇发现的钋。
　　但如果核电要成为未来的微型“机器”的能源，这项技术必须
缩小到微观水平。用放射性材料发电可以有两种方法。放射性材料
衰变时发出的热量可以使一些物质放出电子，从而形成电能。但一
种更直接的方法是当放射性同位素衰变时，它会释放出带电粒子，
这样你就能直接俘获这些带电粒子，利用它们产生电能。”相对于这
些装置的规模而言，这些粒子产生的电压是非常高的。
　　事实上，世界各地有数十个实验室已经在研制被称作ＭＥＭＳ
的微型机电设备，它是当今高科技领域的关键课题之一。
　　这项技术最直接的应用很可能是用来研制各种各样的微型传感
器。一种合适的能源能够用无线联络的方式把数以百计的微型传感
器联系起来，这是一项在军事上很有潜力的用途。
　　这样的传感器小至肉眼无法看到，可以在恶劣环境中探测化学
物质的存在。这些传感器也能用来探测工厂内微量的有害化学物质
和气体。一个有趣的前景是我们可以把这些传感器造得很小，把它
们混入重型机械上使用的润滑油中，以便探测什么时候需要对机器
进行保养。
　　最大的影响可能是把这些传感器系统结合到日常系统中，从而
使日常系统变得更加可靠、安全和智能。人们对这项技术的原理已
经了如指掌。而现在科学家所面临的挑战就是缩小这项技术的规模，
使之达到很小的程度，比其他任何人所能做到还要小很多。

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