放射線概述

 

   我們都知道，地球上一切的活動(dòng)，以及生物生命的運(yùn)轉(zhuǎn)均需要一種力量，即所謂“能”(energy)。目前我們所使用的能可說是百分之九十九均直接或間接來自太陽，只有極少部份是近代人所發(fā)現(xiàn)的核能(nulear energy)。實(shí)在說，太陽所產(chǎn)生的能亦為一種“輻射”能，包括了光與熱。我們利用這種太陽輻射能有兩種方式，一種是直接的，包括：“熱”可以維持四周環(huán)境的溫度，使我們正常生活，其次，可使水份蒸發(fā)至大氣，遇冷成雨，除供生活所需之水外，并產(chǎn)生位能供灌溉發(fā)電等。此外，“光”可以照亮四周的黑暗，使我們能以自由的活動(dòng)。另一種方式則是間接的，植物的葉子，內(nèi)含葉綠素，這種葉綠素吸收太陽的輻射能，將水和CO₂變成葡萄糖而將能量?jī)?chǔ)存起來。這種儲(chǔ)存的能在生物體內(nèi)（包括動(dòng)物和植物）經(jīng)呼吸作用將糖分解而將能釋放以供生物體內(nèi)一切活動(dòng)所用。未用完的能則以其他方式儲(chǔ)存在體內(nèi)，包括脂油等。動(dòng)物無法行光合作用，只能以植物為食物，間接的利用太陽輻射能。至于今日一切工業(yè)、交通等所使用的燃料（石油與煤碳）均為上古時(shí)動(dòng)物（石油）與植物（煤碳）的遺體，它也是來自太陽的輻射能。因此可知，地球上若沒有太陽提供的輻射能源，則一切的活動(dòng)立刻停止。

 

   雖然我們了解到，世界上所使用的能源均是直接或間接來自太陽。但是在廿世紀(jì)初，偉大的科學(xué)家愛因斯坦卻有一重要的發(fā)現(xiàn)。此發(fā)現(xiàn)是說，一切的物質(zhì)中，其本身內(nèi)部就蘊(yùn)藏著大量的能。因此構(gòu)成物質(zhì)的原子，若將其內(nèi)部能量釋放，其數(shù)值實(shí)非我們所能想像。而且他認(rèn)為物質(zhì)就是能量所構(gòu)成，同時(shí)質(zhì)能可以互換。并利一公式來表示質(zhì)能之間的關(guān)系，即：

   E＝MC2

   E：energy，M：質(zhì)量，C：光速

   當(dāng)一原子被撞擊而產(chǎn)生分裂，除產(chǎn)生大量的能量外，并產(chǎn)生某一些放射線。亦即我們所謂的“核能”。

 

  

   提到放射線的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)回溯到十九世紀(jì)的末期，那時(shí)科學(xué)家對(duì)電已經(jīng)有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)。在德國(guó)有一位電磁學(xué)家名叫欒琴(Rontgen)。在一次實(shí)驗(yàn)中，偶而使用陰極射線撞擊－金屬靶，結(jié)果產(chǎn)生了一種電磁波。這種電磁波并能穿過他的手，將手內(nèi)的骨骼影像顯示在螢光板上，而且能使軟片感光洗成照片。于是他稱這種電磁波稱為X-ray(X－光)。不久，這種X－光就被利用在醫(yī)療上。在以后的幾年，隨著物理學(xué)與化學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家對(duì)放射線有了更深的了解。并發(fā)現(xiàn)，許多原子量很重的元素，他們的同位素亦有X－光的產(chǎn)生。所謂同位素(isotope)就是在周期表同一位置的元素，但它們?cè)�子量卻不相同。例如U235與U238，其原子量不同，但均為鈾。能放出放射線的同位素稱為放射線同位素(rudioisotope)。

 

   1898年，波蘭的居禮夫婦第一次由人工制造出一放射線同位素，稱為鐳(radium)。這種鐳為放射性元素，它可放出三種射線，包括α射線、β射線，與γ射線。后來發(fā)現(xiàn)這三種射線對(duì)人的生理與遺傳兩方面均有傷害，但三者的性質(zhì)完全不同。

 

   一直到廿世紀(jì)初，大科學(xué)家愛因斯坦提出了質(zhì)能互換的觀念，使原子科學(xué)了解到，若能將原子量較重的放射性同位素，如U235，以某一質(zhì)點(diǎn)（包括中子與質(zhì)子）撞擊，則會(huì)使該原子分裂，釋放出更多的中子與質(zhì)子。同時(shí)釋放出的中子與質(zhì)子更會(huì)撞擊其他的U235原子，因而產(chǎn)生一種所謂連鎖反應(yīng)(chain reaction)，而且極其快速。瞬息間可釋放出巨大的能量，包括高熱。在同時(shí)，也會(huì)放射出大量的離子化放射線即兡α，β，與γ等射線，有些放射線穿過人身會(huì)造成很大的傷害。根據(jù)此項(xiàng)理論，在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前，美國(guó)人制造出我們耳熟能詳?shù)脑�子彈。殺傷力�?shí)非我們所能想像。由此也證實(shí)了愛因斯坦的學(xué)說。也由此造成人類對(duì)原子能的恐懼。雖然如此，但近半世紀(jì)來，由于科學(xué)不斷的進(jìn)步，目前已能設(shè)法把快速的原子連鎖反應(yīng)加以控制，使能量緩慢的釋放，以供人類使用。諸如船艦的動(dòng)力、發(fā)電等，這就是我們所謂的“核能”。

 

 

   根據(jù)放射線的形體來說，它可分為兩種：一種是帶質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)(partical)，這種放射線有下列數(shù)種：

   α射線  α射線是由二個(gè)帶有正電的質(zhì)子(proton)與兩個(gè)不帶電的中子(neutron)所構(gòu)成，因此較重，放射的速度亦較慢，穿透力不強(qiáng)，但它仍攜帶著能量。

   β射線  這種射線是一種帶負(fù)電的電子(electron)。電子的重量遠(yuǎn)較質(zhì)子與中子為輕，因此它的速度較快，穿透力亦強(qiáng)。

   中子  當(dāng)放射線同位素核分裂時(shí)，在同一時(shí)間會(huì)放出不同質(zhì)點(diǎn)，中子也是其一。中子的質(zhì)量與質(zhì)子相似。一般可分為慢中子(slow neutron)，〔又稱為熱中子(thermal neutron)〕，與快中子(fast neutron)。中子射出的速度和α射線相似，但也攜帶有很大的能量。

 

 

   前面已提到，放射線是一種帶有速度的質(zhì)點(diǎn)或光波。當(dāng)它以某種速度向前進(jìn)行時(shí)，很容易會(huì)碰物質(zhì)。當(dāng)它碰到物質(zhì)時(shí)可產(chǎn)生兩種作用。一種是直接的；另一種則是間接的。

 

   首先來看它的直接作用。在了解直接作用前，首先我們必須先知道，物質(zhì)中原子的結(jié)構(gòu)。也許我們都有印象，原子是由原子核及軌道電子所構(gòu)成，原子核乃是原子的主要部份。但我們?nèi)粝脒M(jìn)一步對(duì)原子有所了解，我們可知道一個(gè)原子實(shí)際的體積比想像中小得多。原子核的直徑僅有整個(gè)原子直徑的1/10000。其外部的電子體積更是微小。原子核所占的空間只是整個(gè)原子的10-12倍。其他部位均是空白。因此可知道，我們所見到的東西實(shí)際上95％以上都是空的，真所謂“萬物皆空”。

 

   由以上所知，當(dāng)一放射質(zhì)點(diǎn)或電磁波打到物質(zhì)時(shí)，能直接碰撞到原子核的機(jī)會(huì)并不太大。只有體積較大的中子與質(zhì)子機(jī)會(huì)稍大些，但質(zhì)子帶有正電，而會(huì)遭到核內(nèi)的質(zhì)子排斥。因此只有中子比較能靠近原子核，而使該原子變?yōu)榱硪环N同位素。

 

   雖然如此，放射穿過原子時(shí)，仍帶有許多能量而使軌道電子等產(chǎn)生振蕩，電子從一軌道跳至另一軌道而產(chǎn)生額外的X光。有時(shí)也會(huì)造成原子核產(chǎn)生不安定現(xiàn)象導(dǎo)致核分裂。

 

   以上所提為放射線的直接作用。但放射線對(duì)物質(zhì)最主要是在間接作用，尤其是有機(jī)物質(zhì)。所謂間接作用是指放射質(zhì)點(diǎn)或放射波照射到物質(zhì)的分子或原子產(chǎn)生離子化作用(ionization)。亦即使物質(zhì)產(chǎn)生帶電現(xiàn)象。這種放射線又稱為離子化放射線(ionizing radiation)。

 

   在所有物質(zhì)中，最容易被離子化的物質(zhì)就是水，同時(shí)它也是地球上最多的一種物質(zhì)。例如，在水生生物中，身體內(nèi)96％均為水；在人體，水的含量亦達(dá)70-80％。所以就以水來說明放射線的離子化作用。

 

   水在一般通電的狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生H⁺與OH^-兩種離子：H₂O→H⁺＋OH^-

   當(dāng)帶負(fù)電的質(zhì)點(diǎn)，β射線或電子e-碰到水分子：H⁺＋e-→H⁰

 

   亦即H⁺吸收一個(gè)電子而變?yōu)椴粠щ姞顟B(tài)“H⁰”。這種“H⁰”稱為自由基(free radical)。它的作用力非常強(qiáng)，可使許多有機(jī)物改變它們的結(jié)構(gòu)。有時(shí)H₂O⁺或H₂O^-等形式。他們作用力亦很強(qiáng)。其他尚有H₂H₂，HO₂⁰。等多種變化，均為很強(qiáng)的氧化劑。

例如碰到金屬就起氧化作用：

F²⁺＋OH⁰→Fe ³⁺＋+OH^-

如遇到有機(jī)物，經(jīng)氧化后改變它們的結(jié)構(gòu)：

RH+OH⁰→R⁰+H₂O 或 RNH₂+H₂O⁰→RONH₂+OH⁰

  R=有機(jī)根

  由這些反應(yīng)就會(huì)傷害到生物體內(nèi)的有機(jī)組織。 

 

   除此之外，放射線也會(huì)影響到生物的遺傳物質(zhì)。大家都知道，遺傳物質(zhì)是由四種不同含氮化合物A,T,G,C構(gòu)成成的一種長(zhǎng)分子，DNA，由這四種化合物在DNA分子上以不同方式的重復(fù)排列就成為不同的遺傳基因。此分子很容易遭外力切斷，但切斷后有時(shí)它又會(huì)重新黏合。在這種情形下，DNA分子很容易被放射線切斷。進(jìn)而改變生物的遺傳性狀。因此經(jīng)放射線照射動(dòng)物或植物后代均會(huì)出現(xiàn)許多極不正常的性狀，甚至產(chǎn)生畸型。

 

 

   放射線對(duì)人體與環(huán)境的確會(huì)造成很大的傷害，但是若能做好防護(hù)措施，它的用途非常大。因?yàn)樗�蘊(yùn)藏著極大的能量，現(xiàn)將幾種重要的用途加以說明。

 

   發(fā)電，當(dāng)放射元素在原子爐分裂行連鎖反應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，此時(shí)就可利用其推動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。根據(jù)前面所提原子內(nèi)所蘊(yùn)藏的能量可用E=MC2的公式計(jì)算，就以想像其能量的龐大。也許有人會(huì)想到它的危險(xiǎn)性。但由于近年來科技的進(jìn)步，其爆破與污染的防護(hù)已可達(dá)百分之百。同時(shí)，有關(guān)核廢料亦拿來再利用。目前許多能源缺乏的國(guó)家均漸漸采用核子發(fā)電。

 

   科學(xué)研究上的利用，由于許多元素的放射性同位素，如磷的同位素P32，碳的同位素C14，以及氧的同位素H3均具具有放射線，所以在這些同位素的化合物均具有放射線。因此可利用它做一種化合物在化學(xué)反應(yīng)時(shí)的標(biāo)志(Label)。此外還可在一些化學(xué)反應(yīng)過程中利用做一種追蹤劑(tracer)。例如，碘是甲狀腺里面的重要物質(zhì)，若是我們想了解碘從食物輸送至甲狀腺的路徑，以及錪在甲狀腺上的分布，就可用碘的放射性同位素I131化合物NaI131落液摻在食物中，即“核子雞尾酒”。幾個(gè)小時(shí)后就可測(cè)知其吸收路線及在甲狀腺上的分布。

 

   醫(yī)療，前面已提過X－光是疾病診療上一種最有用的工具。在目前檢查診斷上已經(jīng)不可缺少。除了疾病檢查外，是癌細(xì)胞腫瘤的切除。所謂癌癥就是身體上的細(xì)胞不受控制，持續(xù)不斷的分裂。目前治療的方法，就是先用手術(shù)將癌癥腫瘤切除，接著就用放射線或化學(xué)藥品將殘余的細(xì)胞殺除干凈。

 

   除以上兩種醫(yī)療方法外，放射線還可利用來治療腦瘤。一般腦瘤因部位的關(guān)系很難用手術(shù)來切除。后發(fā)現(xiàn)當(dāng)身體吸收硼元素明，硼不會(huì)進(jìn)入正常細(xì)胞，而會(huì)溶入腦瘤中。因此若將硼元素以原子爐的慢中子照射，硼就會(huì)吸收一中子而成放射性B10，能放出α射線，當(dāng)B10滲入腦瘤中就可將腦瘤殺滅。

 

   農(nóng)業(yè)方面的用途，放射線在農(nóng)業(yè)上的用途主要是用來改良品種，因?yàn)榉派渚�會(huì)使遺傳基因產(chǎn)生突變，也會(huì)使細(xì)胞染色體遭到破壞。

 

   這兩種東西均支配了生物的后代性狀。因此將種子或芽條以放射處理若產(chǎn)生優(yōu)良性狀就可加以利用，例如在德國(guó)育種家就利用它育出不會(huì)倒的小麥及大麥，非常便以收割。

 

   此外，還可以利用它除滅害蟲。例如他們將果園害蟲果蠅用放射線照射，使雄蠅精子失效，把這種蠅放入果園，交配后的雌蠅均不能生育，因而果蠅絕種。又如有些水果與種子長(zhǎng)途運(yùn)輸容易腐爛或發(fā)芽，此時(shí)將它們以放射線照射，就可將病菌或芽殺死，便以保存。