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你或许在小说和现实生活中都听人们谈论过辐射。例如，当《星际旅行》中的企业号接近某个星球时，一名船员会根据辐射水平发出相应的警告。在汤姆·克兰西（Tom Clancy）的小说《猎杀红色十月号》中，俄国潜艇发生了核反应堆事故并导致了核泄漏，这迫使船员弃船。在三里岛和切尔诺贝利核事故中，核电站向大气中泄露了放射性物质。
核辐射可以是极度有益的，也可以使极度危险的。这取决于怎样利用它。核材料（即那些能够放射出核辐射的物质）非常常见，它们通过很多不同方式进入了我们的日常词汇中。你很可能听说过（或者用过）下面的这些术语：
这些术语被这样的事实联系起来，那就是它们都与天然的或者人造的核素有关。但辐射到底是什么？它为什么如此危险？在本文中，我们将介绍一下核辐射，让你确切理解它到底是什么以及它给我们的日常生活带来了怎样的影响。
让我们首先理解一下“核辐射”中的“核”这个字的由来。这里是一些你应该已经接受了的概念：世间万物都是由原子组成的。原子结合起来构成分子。比如，水分子就是由两个氢原子和一个氧原子束缚在一起形成的一个独立的单元。因为我们在小学就了解了原子和分子的概念，我们可以理解并轻松地接受它们。在自然界中，你所能找到的任何原子都是92种原子中的一种，它们也被称为元素。因而，地球上的任何物质——金属、塑料、头发、衣物、树叶、玻璃——都是由自然界中发现的92种原子组合而成的。你在化学课上看到的元素周期表是自然界中发现的以及人工制造的元素的一张列表。 每个原子的内部都有三种亚原子粒子：质子、中子和电子。质子和中子结合起来形成原子的原子核，而电子包围原子核并沿轨道绕原子核转动。质子和电子因为带有相反的电荷而互相吸引（电子带负电而质子带正电，异性电荷互相吸引），而在大多数情况下，一个原子的电子数和质子数是一样的，这样使得原子呈电中性。中子是电中性的。它们在原子核中的作用是将质子束缚起来。因为所有质子都带同样的电荷，所以它们互相排斥。中子则扮演了“胶水”的角色，将质子紧紧地约束在原子核中。 原子核中的质子数决定了原子的表现。例如，如果将13个质子和14个中子结合起来组成原子核，然后让13个电子绕原子核旋转，这样就得到了铝原子。如果将几百万个铝原子组合起来，就能得到铝——你可以将铝成型为铝罐、铝箔和铝板。在自然界发现的所有铝都被称作铝-27。这里的“27”是原子质量数即原子核中的中子数与质子数之和。如果你将一个铝原子放到瓶子中，等上几百万年，它将仍然是一个铝原子。铝-27 因而被称为稳定的原子。在大约100多年前，人们以为所有的原子都像铝原子一样是稳定的。 很多原子以不同的形式出现。例如，铜有两种稳定形式：铜-63（约占自然界中所有铜的70%）和铜-65（约占所有铜的30%）。这两种不同的存在形式叫做同位素。两种铜同位素的原子都有29个质子，但是铜-63原子有34个中子而铜-65原子有36个中子。两种同位素的性质和外观相同，并且都是稳定的。
某些元素有放射性的同位素，这一点直到约100年前才被人们理解。某些元素的所有同位素都是放射性的。氢就是一种拥有多个同位素的元素，而且其同位素之一是放射性的。普通的氢，或者氢-1，有一个质子而没有中子（因为原子核中只有一个质子，所以不需要中子提供的约束作用）。另一种同位素，氢-2（也被称为氘），有一个质子和一个中子。氘在自然界中含量稀少（占所有氢的0.015%），尽管它的性质和氢-1一样（例如，你可以用它来合成水），但它在高浓度下是有毒的。这一点就将它和氢-1划清了界限。氢的这种氘同位素是稳定的。第三种同位素氢-3（也被称作氚）有一个质子和两个中子。这种同位素是不稳定的。也就是说，你有满满一容器的氚，放上一百万年，你会发现它们都变成了稳定的氦-3（有两个质子和一个中子）。氚转变成氦的过程叫做放射性衰变。 某些元素的所有同位素天然就是放射性的。铀就是这样一种元素，并且是最重的天然放射性元素。还有8种天然放射性元素：钋、砹、氡、钫、镭、锕、钍和镤。所有其他比铀重的人造元素也都是放射性的。 放射性衰变是一种自然过程。一种放射性同位素的原子将会自发地通过下列三种常见的过程之一衰变为另一种元素：
放射性元素镅-241最为人们所知的用途是用于烟雾探测器。它是发生阿尔法衰变的一个很好的例子。镅-241原子能自发地辐射出阿尔法粒子。一个阿尔法粒子是由两个质子和两个中子束缚在一起形成的，它等效于一个氦-4原子核。在释放阿尔法粒子的过程中，镅-241原子转变为镎-237原子。阿尔法粒子以很高的速度离开衰变现场——或许达到了16,000公里/秒。 如果观察一个单独的镅-241原子，你无法预测它什么时候会释放出一个阿尔法粒子。不过，如果有大量的镅原子，那么衰变速度就变得非常有规律。对于镅-241，已知有一半的原子会在458年内发生衰变。因此，镅-241的半衰期是458年。每种放射性元素都有不同的半衰期，根据同位素的不同，半衰期短的不足一秒而长的有数百万年。例如，镅-243的半衰期是7,370年。 氚（氢-3）是发生贝塔衰变的元素的一个很好的例子。在贝塔衰变中，原子核中的一个中子自发地转变为一个质子、一个电子和一个被称为反中微子的粒子。原子核放射出电子和反中微子，而质子则会留在原子核中。放射出的电子被称为贝塔粒子。原子核失去一个中子而得到一个质子。因此，一个氢-3原子经过贝塔衰变变成一个氦-3原子。点击下图中的“Go”按钮，你可以看到中子的变化。 在自发裂变中，一个原子实际上是发生分裂而不是发射出阿尔法或者贝塔粒子。“裂变”这个词就意味着“分裂”。一个重原子如镄-256衰变时有97%的时间是自发裂变，在这个过程中，它变成两个原子。如，一个镄-256原子可能会转变成一个氙-140原子和一个钯-112原子，在这个过程中它释放出4个中子（因为它们是在裂变瞬间被释放出来而被称为“瞬发中子”）。这些中子能被其他原子吸收并引发核反应（如衰变或裂变），或者与其他原子像台球那样碰撞，并释放出伽马射线。 中子辐射可以被用来将非放射性原子转化为放射性原子；这被实际应用于核医学中。中子辐射同样可以由核电站和核动力舰船中的核反应堆和用来研究亚原子物理的粒子加速器来产生。 在很多情况下，发生阿尔法衰变、贝塔衰变或者自发裂变的原子核高度活跃，因而不太稳定。它会以电磁脉冲的形式释放出额外的能量，这种电磁脉冲叫做伽马射线。伽马射线和X射线类似，也能穿透物体，但是伽马射线的能量比X射线更强。伽马射线由能量构成，这与阿尔法和贝塔粒子那样的运动粒子不同。 提到各种射线，还有一种无时无刻不轰击着地球的宇宙射线。宇宙射线来自太阳以及诸如爆炸的恒星之类的星体。大多数宇宙射线（可能有85%）是以接近光速飞行的质子，而大约12%是以很快速度运动的阿尔法粒子。顺便提一下，正是粒子的速度赋予了它们穿透物体的能力。当它们撞击大气层时，它们与大气中的原子以各种方式碰撞并形成能量较低的次级宇宙射线。然后，这些次级宇宙射线再与地球上的其他物体（包括人类）碰撞。我们随时都被宇宙射线撞击着，但是由于次级射线比初级宇宙射线的能量低，所以我们并不会受伤。但初级宇宙射线对处于外太空的宇航员来说是一个威胁。 放射性原子自然地衰变，放射性元素也是大自然的一部分，从这个意义上讲核辐射是“自然的”。尽管如此，所有的放射性照射对生物来说都是危险的。阿尔法粒子、贝塔粒子、中子、伽马射线以及宇宙射线都被称为电离辐射，这个概念的意思是，当这些射线作用到原子上时，会将其轨道上的一个电子撞出来。失去一个电子将会给任何生物带来问题，小到细胞死亡，大到遗传变异（诱发癌症）。 因为阿尔法粒子比较大，所以他们不能在物体中穿行太远。例如，它们无法穿过一张纸，所以当它们在我们身体外部时，对我们并没有影响。但是，如果我们食入或者吸入辐射阿尔法粒子的原子，它们就能够在我们体内引起很大的损害。 贝塔粒子穿透能力稍强一些，但也只有在被食入或者吸入时才是危险的；它能够用一片铝箔或者有机玻璃挡住。伽马射线以及X射线则需要用铅来遮挡。 中子因为没有带电，所以能够穿行很深。它们最好使用非常厚的混凝土层或者水或燃料油等液体层来阻挡。伽马射线和中子的穿透能力是如此之强，以至于它们能对人类和其他动物的细胞产生严重的影响。你可能多少听说过一种被称为中子弹的核装置。这种炸弹的总体原理就是通过优化中子和伽马射线的产生来实现对生物的最大杀伤性。 如前所述，放射性是“自然存在的”，我们所有人体内都含有类似于放射性碳-14这样的物质。我们的环境中同样存在很多有害的人工放射性核素。核辐射有很大的好处，如利用核能来发电以及利用核医学来检查和治疗疾病，但它同样也有巨大的危害。 |
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