“核”你在一起——科学讲坛

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The following article is from 中科院高能所 Author 帅磊

中科院高能所

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主讲人：帅磊

大家好！

欢迎来到“小粒子大宇宙”系列课程。这里是中国科学院高能物理研究所。我是帅磊。

我今天课程的题目叫“‘核’你在一起”。首先给大家讲一讲什么是核。

提到核，你首先想到的是什么？作为一个合格的“吃货”，可能你首先会想到核桃或者是苹果核之类的。

如果你首先想到的是原子核，围绕着它会有电子，会形成一个原子，那么恭喜你，你将是未来的一个科学家。

如果你想到的是像核磁共振、核医学检测、放射性医学检测，那么你可以听从你的直觉，未来去从事医学，去报考医学院。

如果你想到的是核武器，原子弹、氢弹，那么国防建设需要你！

可能对于大多数人来说，会想到的是核电站、核反应堆等等这些，因为我们要和平地去利用核。

当然我今天讲述的主要不是核桃等等，我主要讲述的是核辐射。那么什么是核辐射？我想稍微把这个概念给它拓宽一点，从“辐射”这个概念入手来讲核辐射。

我们比较熟悉的辐射，像紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等等，这一类的辐射是非电离辐射。而核辐射往往和电离辐射相关联。那么什么是电离辐射呢？它需要单个射线粒子具备足够的能量，可以使得物质发生电离，释放出至少一个电子。我们常见的有像中子、质子、γ射线、x射线、β射线、α射线等能量比较高的射线，往往和核辐射的过程相关联。

我们来科学地定义什么是核辐射：是原子核在结构或能量状态发生变化的时候，释放出粒子流的过程。以核裂变为例，它会放出像中微子、中子、质子、β、α等实物粒子，同时也会放出电磁辐射。非实物的粒子就是能量，我们叫做伽马射线。

元素与核素

大家知道，截止目前，我们已经发现的元素，就是元素周期表上一共是有118种。这118种元素应该说是比较少的，这就像我们的姓氏。但我们叫做核素的一共有3000多种，这是为什么？我们知道原子核在元素周期表上的位置是由质子数决定的，但是原子核中除了质子之外还有中子，不同的中子数构成了多种多样的核素。这个中子数，我们可以认为是名字。那么一个姓加一个名造成了核素有3000多种。

不同核素的半衰期

但是这3000多种核素的稳定性是不一样的。对于某些不稳定的核素，它就会发生自发的核衰变。这种核的衰变也是千差万别，有些核素的衰变是非常非常快的，氡219的半衰期是三点几秒。长半衰期的像铀元素和钍元素，能够达到亿年、几十亿年，甚至上百亿年的半衰期。我们生活中有可能接触到医用的放射性核素，像锝99m，它的半衰期是6个小时。它主要是用于医学的诊断，把这个核素注射到人的体内，做了医学诊断之后基本上过一天，就衰变得就比较少了。

那么第二个方面问题，我想给大家建立一个概念，核是无处不在的。我们知道核它是存在于宇宙当中，它的出现比我们人类出现还早，自古至今就有。大家也不必太过在意、太过害怕。

宇宙射线

咱们所处的这个环境，我们来认识一下有哪些核辐射。

首先从最上面，有来自宇宙的叫宇宙射线。宇宙射线主要是由核子、质子和α粒子组成，其余的还包括一些电子、伽马射线等等。当然也有我们非常非常难捕捉的大量的中微子，我们称作是“幽灵粒子”。

太阳辐射

第二个来源是太阳，应该说太阳是一个超大的辐射源。太阳内部时刻地在发生着核聚变的反应，每一秒钟大概就能消耗掉400万吨的质量。如果要给大概的一个概念的话，就是每小时到达大气层的上表面的太阳的辐射，能够相当于咱们国家一年发电量的两倍。

第三个和咱们应该说是接触得更多的，就是来自我们所处地面的这样一个自然的环境。因为地表面存在着很多的有天然放射性的核素，像铀、钍、镭等等。其中有一个：氡，它是一种气体，它是来自于衰变的一个子体。氡气是造成我们人类接触天然放射性的一个主要来源。因为它是气体，有可能会被我们吸入。但是氡气因为原子系数比较大，密度比较高，它更容易形成于像地下室这种密闭的一些地方。所以咱们如果考虑这个问题的话，可以平时多开窗多通风。

其实在我们的日常生活当中，也是经常会接触到辐射。那么它的来源主要是来自于像医学检查，还有坐飞机等等这种高空的辐射。当然这里值得提出来告诫的就是吸烟，吸烟它也会伴随核辐射的产生。因为在烟草业中，会含有钋、铅、镭等等放射性的核素。希望大家最好不要抽烟。

我们说到了周边是存在很多很多的辐射，但是大家也大可不必去“谈核色变”。为什么？因为我们不能撇开辐射的强度去谈辐射的危害。如果科学地去分析这个数据的话，我们大概有一个概念：在我们平时接触到的无论是医学检查还是我们坐飞机，或者是在一些特殊的像高原等等这些地方，接触到的这种辐射相对于会对咱们人体产生危害的这种辐射剂量，是有一个大概从10万到100万倍量级上的差异。所以大家平时所能接触的剂量，应该说是处于一个非常安全的范围内。当然更严谨地，我们有国标，来对大家每年能够接触到的剂量进行一个限定。每年的限定值，相对于能够产生病变的剂量也有一个1000倍的保护阈值。所以大家只要是在控制范围之内，应该说是完全没有问题，不必担心。

第三方面问题我想谈一谈“待核有道”，就是如何能够好的、合理地去利用核。目前核技术已经在方方面面，包括像国防、医疗、安全、能源等都发挥了重要的作用。据统计，美国和日本的数据，大概核技术在整个国民经济的总产值中大概占了3%到4%。其中美国的核能和非核能的使用比例大概是1:4，大概有80%的都是非核能的利用和技术，日本的话大概是一半一半，它的核能发电的和除了发电之外的使用各占一半。

核电站其实就是利用放射性衰变产生的能量来烧水，然后把水烧沸之后去进行发电。这种过程和普通的通过化学能去发电的过程其实是一样的，只不过是烧开水的办法不同而已，比如围绕着如何利用核能去进行反应堆的设计等等，通过这些安全措施来保障能够很安全地进行发电。

目前咱们国家正在运行的核能的发电规模排在全球的第三，正在规划的、包括建设当中的核电站占到了全球所有国家的一半，与目前其他所有国家规划和在建的总和差不多。可以说咱们国家是在大力地发展核电，并且对这个核电的技术非常的有信心。

第二块的应用是核技术在医学诊断中的应用。我们知道像医学影像包括像CT的、核磁的、超声的等等这些成像方式。也有另外一块叫做核医学成像，它主要是利用放射性的药物注射到人体内进行代谢，我们通过对放射性的药物进行影像显像，来体现出人体病灶、代谢的位置等等。那么像我们熟悉的SPECT/CT、PET/CT等等，这些影像的设备就是属于此类的核技术的应用。

除了诊断外还可用核技术进行治疗。治疗主要是通过X光、伽马光、质子束、重离子束等等，这些射线作用在病灶上，像癌细胞、肿瘤等，来达到杀死癌细胞的一个效果。质子和重离子束的治疗，它们在组织内可以非常精准地作用在我们所需要的深度，来进行对癌细胞、肿瘤细胞精准的杀死。

核技术在公共安全领域主要是服务于安检。在机场、火车站，我们都会见到它的大量的应用。

核技术在矿产资源方面可以应用于像石油的勘探等等。它是利用射线对物质的相互作用，我们对这个散射的能量进行测量，来判断物质的成分和含量，来实现对这种像岩石的岩性、密度进行测量。

在工业生产领域，核技术或者说射线的成像技术，也应用于像对物料、液面、材料的一些密度等等进行诊断。在像装箱、可口可乐装罐等等这些领域都有应用。

另外在农业方面，可以利用射线进行辐照育种。把射线作用在种子上，然后对它进行筛选，有比较好的变异行为的挑出来作为种子，可以得到更为优良的品种，像花期更长或者果实更饱满等等。

在食品安全方面，我们也利用射线去照射食物，去对它进行杀菌、灭活。像蔬菜、真空包装的水果、药材等等，都会利用射线对这些物品进行杀菌灭活，来达到可以延长保存时间的效果。

在环境保护中我们也发现，用电子束进行辐照的烟气净化技术是唯一能够同时脱除硫化物、氮化物的一项技术。

以上这些应用启示我们，只要能够善加利用，是可以利用核来造福人类的。

最后我想分享一下典型的核的事件。首先是大家都非常了解的，在二战的最后，美国向日本的广岛和长崎投放了两颗原子弹。这两颗原子弹除了造成当时的人员伤亡之外，也造成了一些人的畸变，产生了所谓的“怪物”。所以我们还是要和平地去利用原子能。

福岛核事故

利用原子能也可能会发生核事故。像2011年日本的福岛核事故，它是在地震和海啸双重作用下引起的，事故等级达到了核电事故的最高等级，和切尔诺贝利核事故一样，同样都是7级。它造成的后续的危害是很大的。首先是当时现场工作的人员。当时有15人组成敢死队在现场作业，这15人中有8人诊断出患有白血病，5人诊断出有恶性的淋巴瘤，有2人被诊断出患有多发性的骨髓瘤，无一人幸免。在此之后有受到污染的食物漂洋过海被运送到他国，2017年俄罗斯海关报道，已经截获了有超过1200份来自日本的污染的食品。咱们国家也报道了有日本违规的流通到咱们国内。在日本境内也是大范围的造成了它的海产品的污染。

福岛核电站已经在近1000个水箱中蓄积了超过100万吨的水（2019年8月）

在最近它又出现新的危机，因为里面一直在进行裂变衰变，它一直要进行冷却。冷却后污染的水目前是采用暂存的手段，接下来在三年之内污水的存储空间将会耗尽，那么怎么办？像这个图上显示的，就是它现场的1000个大水箱，可以存超过100万吨的水。但是每三天就要灌满这么一个罐子。这个时间再往后怎么办？没有地方存了。日本考虑过各种方案，但是好像除了排到大海里面也没有其他的办法。