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輻射其實離我們很近—輻射與生活

科學月刊_96
・2011/07/10 ・5310字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

在今日,輻射普遍被應用在各式現代化設備,若能夠對它有正確的認知,注意安全防護,我們便可以安心享受其所帶來的各種便利。

 

張仕康、門立中

輻射在我們生活周遭無所不在,舉凡太陽光、燈光、X射線、γ射線(伽瑪射線)、微波、雷達、電視與調頻無線電波、手機用低頻通訊電波、地殼輻射、氡氣或人體內「鉀–40」元素所產生的輻射均屬之。因此若我們能夠對輻射有正確的認知、因勢利導,便能利用它增進生活利益,並避免身體健康的損害。

什麼是輻射?

輻射是一種能量傳遞的形式。通常依能量高低,可區分為游離輻射(>10 keV)與非游離輻射(<10 keV)兩大類。其中游離輻射又可分為不具質量的電磁輻射(如γ射線、X射線)與帶有質量的粒子輻射(如α粒子、β粒子、中子、高速電子、高速質子及其他粒子)兩種;非游離輻射則是紫外線、可見光、紅外線、微波、雷達波、電視,以及廣播電台所使用調頻(FM)無線電波、調幅(AM)無線電波、長波無線電波等。一般人所常接觸到的各類輻射如圖一所示。

圖一:電磁波能譜圖。

以來源來說,輻射可區分為天然輻射(如宇宙射線、地殼輻射、氡氣、人體輻射),與人造輻射(如醫療輻射、核能發電、核爆落塵、加速器製造之核種)。天然的宇宙射線,源自天體各恆星不斷進行核融合,像是一座座活的核反應爐,不斷反應,放出光、熱以及各種放射線;地殼射線來自地球礦區含有鈾、釷系列等放射性元素,進行連鎖反應而釋出各種放射線;人體輻射則是因飲食間,攝入含放射性同位素「鉀–40」累積在體內造成的。

游離輻射產物種類及性質

因為核輻射的能量在百萬電子伏特(MeV)的範圍;原子輻射的能量在千電子伏特(keV)的範圍。這些游離輻射可游離物質之分子,產生正負離子對,照射生物體時,與細胞中的重要分子(如DNA)作用,可使分子鍵斷裂,干擾生物體內結構,引起生物效應,直接危害人體健康。游離輻射隨時隨地都存在,但因我們察覺不到,所以沒有警覺,等到身體受害,可能已為時過晚。因此在輻射領域內可說是最危險的部分,故有必要了解它們是什麼,以及有何性質。

游離輻射產物大致來說可分為α射線(阿法射線)、β射線(貝他射線)、γ射線、X光及中子。α射線為鈍氣氦(He)的原子核,帶2個正電,它對其它原子游離能力最強,但穿透力最弱,一張紙就可阻擋;β射線即電子,帶一個負電,以鋁板可阻擋;γ射線或X光均為光的形式釋放的一種能量,穿透力最強,需要混凝土或數公釐厚鉛板才可阻擋。這些射線都由很小的粒子構成,看不見、摸不到、嗅不到,需藉助輻射偵檢儀器才可知道它們的存在(圖二)。

圖二:三種游離輻射的穿透性。α粒子可被紙所阻擋,β粒子可被鋁箔所阻擋,γ射線則具有高度穿透性。

輻射的單位及單位換算

「劑量」是用來表示人體接受輻射多寡的量;一般常用「等效劑量」表示不同種類的輻射對人體產生相同之生物效應。過去常被使用的單位是「侖目」(rem),但近來已被新的國際單位是「西弗」(Sv)所取代(1西弗=100侖目=1000毫西弗=1000000微西弗)。

「活度」是放射性同位素在單位時間內衰變的次數,活度愈大放射性愈強。活度的國際專用單位為「貝克」(Bq,即1次衰變),另一常用的舊單位為居禮(Ci),(1居禮=37億貝克)。上述單位除侖目外,西弗(Sievert)、居禮(Curie)、貝克(Becquerel)均為人名借用,以茲紀念他們對輻射研究的偉大貢獻。

輻射的劑量及限值

在日常生活中,人類常接觸到各種輻射,不同的輻射劑量對人體也會造成不同的影響。流行病學調查指出,當短期內所接觸到的輻射劑量低於100毫西弗時,對人體沒有危害,而任何個人多年累積的微量輻射劑量(低於100毫西弗),也不至造成負面的健康效應。各種活動所接觸之輻射劑量及限值如圖三所示。法規對從事輻射相關的從業人員訂定50000微西弗(即50毫西弗)年劑量的上限,一般民眾更低到5000微西弗,以玆保護大眾不受輻射傷害。電腦斷層掃描則視掃瞄區域多寡,自2000至1萬6000微西弗不等,而癌症放射治療一次更高達200萬微西弗,因治病所接受的劑量不在管制範圍內,但不必要的斷層掃描能免則免,避免遭到輻射傷害。

輻射防護方法

輻射防護可區分為體內及體外防護;體內防護方法為避免放射性物質經由呼吸、飲食或經由皮膚滲入體內,所以可視作業場所需要穿著防護衣、戴防護手套、戴呼吸防護面具、工作區禁止吸菸及飲食、工作後吃東西前要洗手等;體外防護採取遠離輻射源(輻射劑量與距離平方成反比)、減少輻射照射時間與增加屏蔽阻擋輻射等三種方法遂行輻射防護。

輻射在生活中的應用

圖三:輻射劑量限值圖。具「限值」名稱之項目為政府制定的上限標準,其它項目為從事各該活動所接受的劑量近似值。

不同頻率、來源的輻射,所造成的效應不盡相同,因此也有不一樣的用途,在此介紹在生活上常接觸的各式輻射應用,使讀者能夠了解輻射在我們身邊所扮演的角色。

煙霧偵檢器:現代建築物中使用最廣泛的消防設備,裡面含有低放射活度的鋂–241(Am-241)射源,鋂–241放出α粒子而游離煙霧偵檢器內的空氣,使空氣具導電性,任何進入偵檢器內的煙霧微粒會抑低電流而啟動警報,告知火警。

手錶及時鐘:舊式手錶和時鐘用鐳–226當夜光的光源,當要維修這些鐘錶時,鐳–226可能會被碰觸或攝入體內,造成輻射傷害,現代則改用氚(H-3,一種氫的同位素)或鉅–147(Pm-147, Promethium)。

陶瓷器:包含磁磚、陶器等,一些陶瓷器為了美觀,添加含有鈾、釷、鉀等放射線的釉料,可燒出色彩艷麗的產品,這種產品避免當食器使用,以免攝入放射性物質。

玻璃:含鈾的玻璃可製成黃色或綠色的古董器皿,它在黑暗中會發出吸引人的光;甚至普通玻璃亦包含足夠高的鉀–40或釷–232,能被偵測器量到輻射;早期60年代照相機鏡頭經常使用釷–232塗裝以改變其折射率。

電銲條:電銲使用的銲條中釷元素約占2%,約含30微居禮的放射活度,添加釷的原因是增加交流電流的運送容量及減少電極的腐蝕。

肥料:商業肥料被設計為含有各種氮、磷、鉀等特殊用途的配比,實際上當中含有放射性成分。被量到含放射性主要有兩個原因:一、鉀是天然的放射性元素;二、磷是從已提高鈾濃度的磷礦中開採而得。

手機與基地台:手機是傳送和接收微波的低功率無線電元件,頻率一般介於900~1800兆赫(MHz)之間。國際間對無線電波輻射的負面健康效應有一致的共識,手機發射的無線電波能量,有一部分會被使用者頭部吸收,大多屬表皮組織。英國國家放射防護局建議而被英國政府所採行的頭部防護標準為0.1瓦∕10克組織(六分鐘平均值),此計算值是基於,即使延長使用手機,所造成的頭部最大溫度上升值必須小於1℃。英國實務經驗指出這類似於人們正常每天身體溫度的變化值範圍內,且如此小的熱負載變化被認為太低而不致造成負面的健康效應。民眾正常由基地台天線接觸到的輻射,是全身性的均勻曝露,全身質量的能量平均限值是0.4瓦∕公斤質量(15分鐘平均值),使用手機傳送器所產生的無線電波是如此微弱,所以只有在一個人直接在天線正前方幾公尺範圍內才有可能接受到超過這輻射參考指引的值。離基地台天線距離愈遠輻射強度隨著距離的平方成比例下降,無線電波並沒有足夠的能量來傷害細胞內的基因物質(染色體DNA),所以不會致癌。

變電所:電場由電壓產生,一般家用兩孔插座的電壓為110伏特,電器設備則無論使用與否,只要在待機狀態其周圍便有電場,常用單位是千伏特∕公尺(KV/m),磁場是由電流產生,電器設備在使用時即有電流流通,其周圍就會產生磁場,常用單位為毫高斯;電磁場是一種非游離且無熱效應的輻射,能量很弱,遠比會產生溫度效應的微波或光為低。所謂電磁場包含「電場」及「磁場」,電場很容易被金屬外殼或鋼筋混凝土牆所隔絕,一般家電及電力設備,因有金屬外殼存在,故外表幾乎沒有電場。磁場卻很難隔絕,但如方向相反、大小相同的電流所產生的磁場可相互抵消,所以三相輸電的電力線比單相電力線所產生的磁場會小很多;台電公司的輸電線均為三相線路,故其產生磁場經相互抵消後,實際已甚低。

依國內外資訊與文獻報導,磁場與人體健康的關聯性目前尚無定論,且關聯性未必表示有因果關係。目前先進國家或機構對於電力磁場之限制,在此提出推薦值供參考,例如國際輻射防護協會對於一般民眾全天候曝露於磁場限制之推薦值為1000毫高斯,此為世界各國中最嚴格的建議參考值。另外,家電產品中的吹風機及電鬍刀有上萬毫高斯的磁場值得注意,使用時間越短越好。

紫外線:人類曝露的紫外線主要來自陽光,依其波長及生物效應,分為近紫外線(UVA)、中紫外線(UVB)及遠紫外線(UVC)三類。其中UVA是到達地球表面最多的紫外線,它對皮膚極少有效應,但其可誘發光的毒害,如誘發狼瘡;UVB只占到達地球表面的10%,但其確具1000倍於UVA對日曬及相關皮膚的傷害,且會增加皮膚癌症的風險;UVC使用於殺菌燈,因其對皮膚的低穿透性所以幾乎不會有傷害。大氣臭氧層於清晨及下午過濾紫外光最有效,從上午十時至下午四時紫外光穿透量最大,UVB強度於海拔每升高300公尺便增加約3%,其跟光一樣會從各種物體表面反射,但水蒸氣不但不會吸附也不會反射很多的UVB,所以即使多雲的天氣也不會提供對UVB任何防護。

醫療輻射:在人造輻射中,醫療輻射占主要來源,包括X光檢查、核磁共振檢查、電腦斷層掃描及癌症放射治療等。醫療性輻射曝露所接受的劑量不計入法規限值。

核爆落塵:核武爆炸產生的落塵會隨氣流飄落世界各地,對人類影響最大,放射性物質不論降至水中或土壤,都經由食物鏈進入人體,造成永久性傷害。

民生應用:農業上利用輻射照射改變基因,改良農作物,增加收成產量或使花卉植株矮化照樣開花,也可照射害蟲後使喪失生殖能力後野放,如果蠅即是;木材經照射後結構轉強,用於製造槍托;普通玉石經照射後顏色增艷提高價值;農產品照射後可以延長保存期限,如馬鈴薯、大蒜不會發芽屬之;醫療器材照射後達到消毒滅菌效果;考古學利用輻射進行年代測定,如碳–14定年法;工業上利用輻射進行非破壞檢測,例如飛機機身裂縫檢測、輪船水櫃或油櫃存量檢測等。

核能發電:核能電廠採行的是「深度防禦」的輻射安全防護設計,有多重可靠的工程屏蔽設計,加上管制上應用距離平方反比與時間的控制,在鄰近廠區周邊的輻射背景值均在自然輻射背景值的變動範圍內。

職業輻射:核能民生、工業及醫療應用從業人員,例如核能電廠員工、非破壞檢驗人員及X光機操作人員等,一方面其出於志願且經專業訓練合格或持有專業證照,所以會較一般人接受到輻射的機會與劑量較多,唯仍均合乎各國政府授權管制機構及國際放射防護委員會建議的安全值範圍內。

結 語

自1895年物理學家侖琴(Wilhelm Rontgen)發現X光後,輻射就逐漸被人們應用在生活相關的事物上。在醫療方面可用於診斷疾病,以更明確了解病情,使醫生更能對症下藥,同時也可用來殺死癌細胞以治療癌症患者,提昇疾病的療效。在農業方面,可以利用輻射從事農作物品種改良,食品照射使食物保存更久,減少採收後的損失;在工業上可利用輻射進行各種非破壞檢測及有關厚度、密度、液位等品質控制,這些都是輻射帶給我們的利益。雖然不可否認,濫用輻射的確可能會對人體造成不同程度的傷害,但只要正確的使用輻射,導致這些傷害的機率都是極低的。因此,實際上輻射就像水、火、瓦斯一般,在提昇人類生活品質方面扮演著重要的角色,只要能了解輻射的特性,注意輻射安全防護,我們就可以安心享受輻射帶給人類的福祉。

參考資料

1. 鄭琨琮,《漫談生活中的輻射》,中華民國核能學會,2004年。
2. 行政院原子能委員會,《輻射知多少》,行政院原子能委員會,2009年。
張仕康、門立中:
任職行政院原子能委員會核能研究所

名詞解釋

keV:其定義為1千電子伏特,為能量單位。1電子伏特為1個電子經過1伏特的電位差所需的能量。

游離輻射:游離輻射是指可以把電子游離出來的輻射。原子由原子核及外圍環繞的電子組成,而原子核對外圍電子具有束縛能,牽引對方不使逸出正常運行的軌道,但當電子自外界獲得的能量大於原子核對該電子的束縛能量,則該電子會脫離原子而射出,使原先呈中性的原子,變成一帶正電,一帶負電的離子對。此種作用過程,即稱為「游離」。造成游離作用的輻射,就稱之為「游離輻射」。

非游離輻射:若電子自外界獲得的能量不足,僅能造成電子在原位置振動,或離開原位能階暫跳到較高能階上,則稱之為「激發」。而僅促成激發的輻射,或因能量過低,不足以造成任何反應的輻射,統稱之為「非游離輻射」。

電磁輻射:γ射線或X射線是種帶有高能量的光,本身不具質量,其前進時依賴電磁波方式進行,是為電磁輻射。

粒子輻射:α粒子、中子、電子、質子等都是具有質量的有形粒子,它前進時係以直線方式進行,是為粒子輻射。

鉀–40︰金屬鉀存在於天然環境中,主要以「鉀–39」、「鉀–40」、「鉀–41」等三種同位素同時存在,其含量百分率分別為93.2518、0.0117與6.7302。此三種同位素具相似之物理與化學性質,互為一體密不可分。其中只有鉀–40為不穩定態,會放出1460 keV之γ射線,它的半衰期(損失一半質量所需之時間)為1.25×109年。

一般人主要食物如米、蔬菜、水果中均有這種放射性物質存在。人類經由食物鏈吃進體內,並累積為一天然輻射源,然此微量之放射性早為人體接納,人體新陳代謝功能足以調節鉀的需求量,不致危害健康。

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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