輻射

輻射

輻射指的是能量以電磁波或粒子(如阿爾法粒子、貝塔粒子等)的形式向外擴散。自然界中的一切物體,只要溫度在絕對溫度零度以上,都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式被稱為輻射。輻射之能量從輻射源向外所有方向直線放射。物體通過輻射所放出的能量,稱為輻射能。輻射按倫琴 /小時(R)計算。輻射有一個重要特點,就是它是“對等的”。不論物體(氣體)溫度高低都向外輻射,甲物體可以向乙物體輻射,同時乙也可向甲輻射。輻射能被廣泛套用於醫學診斷、工業及生物學領域造福人類。但所有輻射均對生物有害,而且可影響自然環境,其中以電離輻射對人體造成的危害最為常見。

基本信息

簡介

輻射輻射

輻射指的是能量以波或是次原子粒子移動的型態傳送。輻射能量從輻射源向外所有方向直線放射。一般可依其能量的高低及電離物質的能力分類為電離輻射或非電離輻射。

一般普遍將這個名詞用在電離輻射。電離輻射具有足夠的能量可以將原子或分子電離化,非電離輻射則否。輻射活性物質是指可放射出電離輻射之物質。電離輻射主要有三種:α、β及γ輻射(或稱射線)。電離輻射或非電離輻射皆對生物有害,而且可影響自然環境。

發現

Y伽瑪射線-內部結構模型圖Y伽瑪射線-內部結構模型圖

1、威廉·康拉德·倫琴發現及命名了X射線

1895年他完成了初步的實驗報告“一種新的射線”及把這項成果發布在維爾茨堡的Physical-MedicalSociety雜誌上。1901年倫琴因發現X射線獲得諾貝爾物理學獎

2、亨利·貝克勒發現天然放射性。

皮埃爾·居里及其妻子瑪麗·居里亨利·貝克勒教授所發現的放射性現象共同研究及發現了放射性元素,三人於1903因對放射性的研究獲頒諾貝爾物理學獎。

3、α粒子,β粒子和γ射線輻射由歐內斯特·盧瑟福通過簡單的實驗發現。

盧瑟福用一個放射性源,並確定所產生的射線源擊中螢幕上三個不同的區域,其中一個對應一個正電荷(α),其中一個是帶負電(β),和一個是中性(伽瑪射線)。他計算出三種輻射的電荷。利用這些數據,盧瑟福的結論是這些輻射包括三種不同類型並以希臘字母首三個字母α,β和γ為它們命名。

分類

電離輻射

輻射輻射

擁有足夠高能量的輻射可以把原子電離。一般而言,電離是指電子被電離輻射從電子殼層中擊出,使原子帶正電。由於細胞由原子組成,電離作用可以引致癌症。一個細胞大約由數萬億個原子組成。電離輻射引致癌症的機率取決於輻射劑量率及接受輻射生物之感應性。α、β、γ輻射及中子輻射均可以加速至足夠高能量電離原子。
1、α粒子

是一种放射性粒子,由兩個質子及兩個中子組成,並不帶任何電子,亦即等同於氦-4的核心,或電離化後的氦-4,He2+。

通常具有放射性而原子量較大的化學元素,會透過α衰變放射出α粒子,從而變成較輕的元素,直至該元素穩定為止。由於α粒子的體積比較大,又帶兩個正電荷,很容易就可以電離其他物質。因此,它的能量亦散失得較快,穿透能力在眾多電離輻射中是最弱的,人類的皮膚或一張紙已能隔阻α粒子。
2、β粒子(+/−)

β衰變-內部結構模型圖 β衰變-內部結構模型圖

負β粒子由高能電子組成。此高能電子可穿透數厘米厚金屬。負β粒子由β衰變產生,原子核中的一粒中子衰變成為一粒質子,過程當中釋放出一粒負β粒子及一粒反電子中微子
正β粒子由正電子組成。由於正電子是反粒子,正β粒子可與物質湮滅,生成伽瑪射線
3、中子

中子可根據其速度而被分類。高能(高速)中子具電離能力,深入穿透物質。中子是唯一一種能使其他物質帶放射性之電離輻射。此過程被稱為“中子激發”。“中子激發”被醫療界,學術界及工業廣泛套用於生產放射性物質。
高能中子可以在空氣中行進極長距離。中子輻射需要以富有氫核之物質掩蔽,例如混凝土和水。核反應堆是常見之中子放射源,以水作為有效之中子掩蔽物。
4、X射線

X射線是波長範圍在0.01納米到10納米之間(對應頻率範圍30PHz到30EHz)的電磁波,具波粒二象性。電磁波的能量以光子(波包)的形式傳遞。當X射線光子與原子撞擊,原子可以吸收其能量,原子中電子可躍遷至較高電子軌態,單一光子能量足夠高(大於其電子之電離能)時可以電離此原子。一般來說,較大之原子有較大機會吸收X射線光子。人體軟組織由較細之原子組成而骨頭含較多鈣原子,所以骨頭較軟組織吸引較多X射線。故此,X射線可以用作檢查人體結構。
5、伽馬射線

伽馬射線是頻率高於1019赫茲的電磁波光子。伽馬射線不具有電荷及靜質量,故具有較α粒子及β粒子弱之電離能力。伽馬射線具有極強之穿透能力及帶有高能量。伽馬射線可被高原子數之原子核阻停,例如鉛或乏鈾。

非電離輻射

輻射輻射

非電離輻射包括低能量的電磁輻射。人們經常接觸到的有紫外線(其中太陽發出的紫外線也是非電離輻射的一種)、光線、紅內線、微波及無線電波等。它們的能量不高,只會令物質內的粒子震動,溫度上升。
非電離輻射之能量較電離輻射弱。非電離輻射不會電離物質,而會改變分子或原子之鏇轉,振動或價層電子軌態。非電離輻射對生物活組織的影響近年才開始被研究。不同的非電離輻射可產生不同之生物學作用。

1、中子輻射

中子輻射由自由中子所組成,可由自發或感應產生的核裂變,核聚變或其他核反應產生。中子非電離輻射不會電離原子,但可與不同元素之原子核撞擊,進行“中子激發”,產生不穩定同位素,使物質具放射性。

2、電磁輻射

電磁輻射(有時簡稱EMR)的形式為在真空中或物質中的自傳播波。電磁輻射有一個電場和磁場分量的振盪,分別在兩個相互垂直的方向傳播能量。電磁輻射可波的頻率或波長分為不同類型,這些類型包括(按序增加頻率):無線電波,微波,太赫茲輻射,紅外輻射,可見光,紫外線,X射線和伽瑪射線。其中,無線電波的波長最長而伽馬射線的波長最短。除X射線和伽瑪射線外之電磁輻射都具有較弱電離能力,是非電離輻射。
3、黑體輻射

黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射,在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。同時,黑體是可以吸收所有入射輻射的物體,不會反射任何輻射,故黑體是絕對黑色的。理論上黑體會放射頻譜上所有波長之電磁波。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度關係的定律。

套用

電離輻射

X射線用於醫學成像診斷和X射線結晶學,X射線衍射法已成為研究晶體結構、形貌和各種缺陷的重要手段。

γ射線有很強的穿透力,工業中可用來探傷或流水線的自動控制。γ射線容易造成生物體細胞內的DNA斷裂進而引起細胞突變、造血功能缺失、癌症等疾病,因此對細胞有殺傷力,醫療上用來治療腫瘤。

核輻射對生物體的傷害在食品生產中用來常溫殺菌,食品經過高強度的射線照射之後可以保證大部分的細菌被滅殺。

治療癌症的放射療法(放療)是另外一種套用,通過對癌變的部位進行高強度的輻射處理,使得癌細胞(也包括正常細胞)大量死亡,達到抑制癌症的目的。

非電離輻射

在我們的生活中已被廣泛套用。例如煮食用的微波爐及通訊用的無線電波等。

非電離輻射亦包括超音波。超音波是很高頻率的聲波。超音波可以形成超音波圖象,作為診斷疾病之用。

危害

輻射對人體危害的原理輻射對人體危害的原理

一般來說,非電離輻射(例如光線及無線電波)的能量較低,不足以改變物質的化學性質。相反,電離輻射(例如α粒子及β粒子)有足夠的能量使原子中的電子游離而生成帶電離子。這個電離過程通常會引致生物組織生成化學變化,因而對生物構成傷害。一般所指可引起傷害的輻射,就是電離輻射。

輻射對人體的效應是從細胞開始的。它會使細胞的衰亡加速,使新細胞的生成受到抑制,或造成細胞畸形,或造成人體內生化反應的改變。在輻射劑量較低時,人體本身對輻射損傷有一定的修復能力,可對上述反應進行修復,從而不表現出危害效應或症狀。但如果劑量過高,超出了人體內各器官或組織具有的修復能力,就會引起局部或全身的病變。

人們所關心的輻射,可以粗略地分成兩類,核輻射和電磁輻射,這兩種都屬於電離輻射。

核輻射

就是放射性元素產生的輻射,是攜帶很高能量的質子、中子、氦原子核、電子、光子等等。放射性元素會不斷地發生衰變反應,變成另外一種物質並放出輻射,輻射的射線有三種:α射線(氦核)、β射線(電子束)和伽馬射線(高能光子);原子質量比較大的放射性元素也會發生裂變反應(核電站或核子彈)放出中子或其他射線;較輕的原子核在一定條件下會發生聚變反應放出中子或者質子射線;而高能宇宙輻射在大氣裡面也會產生大量的次級輻射。日常生活中不會遇到聚變反應裂變反應產生的射線一般也只有在核電站里才有,所以比較常見的是放射性元素的衰變射線和宇宙輻射

長時間接受較高強度的核輻射有導致癌症的可能性。

電磁輻射

電磁輻射是電磁能量以電磁波的形式通過空間傳播的現象,它的傳播速度即為人們通常所說的光速。電磁輻射可按其波長、頻率排列成若干頻率段,形成電磁波譜。頻率越高該輻射的量子能量越大,其生物學作用也越強。

電磁輻射源可以分為自然電磁輻射源和人為電磁輻射源(高頻感應加熱設備、高頻介質加熱設備、短波和超短波理療設備、微波發射設備和無線電廣播與通訊等各種射頻設備)。雷電、太陽黑子活動、宇宙射線等都產生電磁輻射,這是自然電磁輻射源;而人為的電磁輻射源主要有各類無線電設備,如行動電話機、無線對講機、室內無線電話、廣播電視發射機、微波和衛星通信裝置、雷達、無線電遙控器等,也包括工業、科學和醫療設備,如微波爐、高頻護眼燈、醫療磁共振設備、氦弧焊機、射頻電熱器、高頻熱合機、交流高電壓輸電線、轉換開關、電動機、發電機、電視機、計算機等。電磁輻射由電磁發射引起的,可以說所有的用電器都會產生電磁輻射。

電磁污染已被公認為排在大氣污染、水質污染、噪音污染之後的第四大公害。聯合國人類環境大會將電磁輻射列入必須控制的主要污染物之一。據國外資料顯示,電磁輻射已成為當今危害人類健康的致病源之一。1998年世界衛生組織列出電磁輻射對人體的五大影響:

1、電磁輻射是心血管病、糖尿病、癌突變的主要誘因;

2、電磁輻射對人體生殖系統、神經系統、免疫系統造成傷害;

3、電磁輻射是孕婦流產、不育、畸胎等病變的誘發因素;

4、電磁輻射直接影響兒童的發育、骨髓發育、導致視力下降、視網膜脫落,肝臟造血功能下降;

5、電磁輻射可使女性內分泌紊亂,月經失調。

常見輻射

太陽輻射

太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一,但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位於日地平均距離處時,地球大氣上界垂直於太陽光線的單位面積在單位時間內所受到的太陽輻射的全譜總能量,稱為太陽常數。太陽常數的常用單位為瓦/米。

因觀測方法和技術不同,得到的太陽常數值不同。世界氣象組織(WMO)1981年公布的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15~4.0微米之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區(波長0.4~0.76微米),7%在紫外光譜區(波長0.76微米),最大能量在波長0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長(約3~120微米)小得多,所以通常又稱太陽輻射為短波輻射,稱地面和大氣輻射為長波輻射。

太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化太陽輻射通過大氣,一部分到達地面,稱為直接太陽輻射;另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間,另一部分到達地面,到達地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣後,其強度和光譜能量分布都發生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多,在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區幾乎絕跡,在可見光譜區減少至40%,而在紅外光譜區增至60%。

天文輻射的時空變化特點是:①全年以赤道獲得的輻射最多,極地最少。這種熱量不均勻分布,必然導致地表各緯度的氣溫產生差異,在地球表面出現熱帶、溫帶和寒帶氣候;②天文輻射夏大冬小,它導致夏季溫高冬季溫低。大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射。太陽輻射經過整層大氣時,0.29μm以下的紫外線幾乎全部被吸收,在可見光區大氣吸收很少。在紅外區有很強的吸收帶。大氣中吸收太陽輻射的物質主要有氧、臭氧、水汽和液態水,其次有二氧化碳甲烷一氧化二氮和塵埃等。雲層能強烈吸收和散射太陽輻射,同時還強烈吸收地面反射的太陽輻射。雲的平均反射率為0.50~0.55。經過大氣削弱之後到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射。就全球平均而言,太陽總輻射只占到達大氣上界太陽輻射的45%。總輻射量隨緯度升高而減小,隨高度升高而增大。一天內中午前後最大,夜間為0;一年內夏大冬小。

電磁輻射

電磁波(又稱電磁輻射)是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面,有效的傳遞能量和動量。電磁輻射可以按照頻率分類,從低頻率到高頻率,包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等等。人眼可接收到的電磁輻射,波長大約在380至780納米之間,稱為可見光。只要是本身溫度大於絕對零度的物體,都可以發射電磁輻射,而世界上並不存在溫度等於或低於絕對零度的物體。因此,人們周邊所有的物體時刻都在進行電磁輻射。儘管如此,只有處於可見光頻域以內的電磁波,才是可以被人們看到的。電磁波不需要依靠介質傳播,各種電磁波在真空中速率固定,速度為光速。

1.常見的電磁輻射源 :一般來說,雷達系統、電視、手機和廣播發射系統、射頻感應及介質加熱設備、射頻及微波醫療設備、各種電加工設備、通信發射台站、衛星地球通信站、大型電力發電站、輸變電設備、高壓及超高壓輸電線、捷運列車及電氣火車以及大多數家用電器等都是可以產生各種形式、不同頻率、不同強度的電磁輻射源。

2.電磁
輻射場區的劃分:電磁輻射場區一般分為遠區場和近區場。

3.1.近區場及特點:以場源為中心,在一個波長範圍內的區域,通常稱為近區場,也可稱為感應場。近區場通常具有如下特點:近區場內,電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關係。即:E¹377H。一般情況下,對於電壓高電流小的場源(如發射天線、饋線等),電場要比磁場強得多,對於電壓低電流大的場源(如某些感應加熱設備的模具),磁場要比電場大得多。近區場的電磁場強度比遠區場大得多。從這個角度上說,電磁防護的重點應該在近區場。近區場 的電磁場強度隨距離的變化比較快,在此空間內的不均勻度較大。

3.2遠區場及特點在以場源為中心,半徑為一個波長之外的空間範圍稱為遠區場,也可稱為輻射場。遠區場的主要特點如下:在遠區場中,所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播,這種場輻射強度的衰減要比感應場慢得多。 在遠區場,電場強度與磁場強度有如下關係:在國際單位制中,E=377H,電場與磁場的運行方向互相垂直,並都垂直於電磁波的傳播方向。遠區場為弱場,其電磁場強度均較小。

3.3近區場與遠區場劃分的意義:通常,對於一個固定的可以產生一定強度的電磁輻射源來說,近區場輻射的電磁場強度較大,所以,我們應該格外注意對電磁輻射近區場的防護。另外,應該有對近區場一個概念,對我們最經常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段範圍,其波長範圍從10米到0.1米。

熱輻射

熱輻射,是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。它是熱的三種主要傳導方式之一。

任何物體在發出輻射能的同時,也不斷吸收周圍物體發來的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差,就是它傳遞出去的淨能量。物體的輻射能力(即單位時間內單位表面向外輻射的能量),隨溫度的升高增加很快。

輻射能被物體吸收時發生熱的效應,物體吸收的輻射能不同,所產生的溫度也不同。因此,輻射是能量轉換為熱量的重要方式。輻射傳熱(radiant heat transfer)指依靠電磁波輻射實現熱冷物體間熱量傳遞的過程,是一種非接觸式傳熱,在真空中也能進行。物體發出的電磁波,理論上是在整個波譜範圍內分布,但在工業上所遇到的溫度範圍內,有實際意義的是波長位於0.38~1000μm之間的熱輻射,而且大部分位於紅外線(又稱熱射線)區段中0.76~20μm的範圍內。所謂紅外線加熱,就是利用這一區段的熱輻射。研究熱輻射規律,對於爐內傳熱的合理設計十分重要,對於高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。當某系統需要保溫時,即使此系統的溫度不高,輻射傳熱的影響也不能忽視。如保溫瓶膽鍍銀,就是為了減少由輻射傳熱造成的熱損失。

一般說來,當一物體受到其他物體投來的輻射(能量為Q)時,其中被吸收轉為熱能的部分為QA,被反射的部分為QR,透過物體的部分為QD,顯然這些部分與總能量之間有下式所示的關係:

QA+QR+QD=Q如果把A=QA/Q稱為吸收率,R=QR/Q稱為反射率,D=QD/Q稱為穿透率:則有: A+R+D=1若物體的A=1,R=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收,此物體稱為絕對黑體,簡稱黑體。

若R=1,A=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量全部被反射;

當這種反射是規則的,此物體稱為鏡體;如果是亂反射,則稱為絕對白體

若D=1,A=R=0,即到達物體表面的熱輻射的能量全部透過物體,此物體稱為透熱體。

實際上沒有絕對黑體和絕對白體,僅有些物體接近絕對黑體或絕對白體。

例如:沒有光澤的黑漆表面接近於黑體,其吸收率為0.97~0.98;磨光的銅表面接近於白體,其反射率可達0.97。

影響固體表面的吸收和反射性質的,主要是表面狀況和顏色,表面狀況的影響往往比顏色更大。固體和液體一般是不透熱的。熱輻射的能量穿過固體或液體的表面後只經過很短的距離(一般小於1mm,穿過金屬表面後只經過1μm),就被完全吸收。氣體對熱輻射能幾乎沒有反射能力,在一般溫度下的單原子和對稱雙原子氣體(如 Ar、He、H2.N2.O2等),可視為透熱體,多原子氣體(如CO2、H2O、SO2、NH3、CH4等)在特定波長範圍內具有相當大的吸收能力。

鑑別方法

電磁輻射和電磁輻射污染區別

電磁輻射和電磁輻射污染是兩個概念,任何帶電體都有電磁輻射,當電磁輻射強度超過國家標準,就會產生負面效應,引起人體的不同病變和危害,這部分超過標準的電磁場強度的輻射叫電磁輻射污染。

手機基站輻射對人身體影響

手機輻射與手機基站輻射的不同。一般一部手機的電磁輻射值在0.03-0.7之間,而一個手機基站的輻射值在10微瓦。一個手機基站所產生的輻射值比一部手機的值高不出多少。另外,電磁輻射是距離越近、受輻射時間越長,所受到的傷害越深。而一般的居民家樓屋頂上安裝的手機基站離我們的距離為安全距離,所以這種影響是比較小的。

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