2011年3月11日發(fā)生在日本仙臺港以東海域的9.0級地震及海嘯(2011 Tōh(huán)oku earthquake and tsunami)引發(fā)的日本福島**(Fukushima I Nuclear Power Plant)事故在過去二十天時間里引起了各路媒體的廣泛報道。 在那些報道中， 常常出現(xiàn)諸如 “...的泄漏量為...居里”、 “...的空氣濃度達(dá)到...貝克/立方米”、 “輻射量高達(dá)...希沃特” 之類的文字。 對普通讀者來說， 這些文字的含義可能是令人困惑的， 因為它們所涉及的 “居里”、 “貝克”、 “希沃特”(簡稱 “希”， 也有媒體譯為 “西弗”)等都是一般人平時很少有機(jī)會接觸的輻射單位。

       這些輻射單位究竟是什么含義呢？ 本文來做一個簡單介紹。

       在介紹之前， 讓我們先對本文所談?wù)摰妮椛渥鲆粋€界定。若無特殊說明， 本文所談?wù)摰妮椛淙际侵赣珊肆炎?nuclear fission)反應(yīng)產(chǎn)生的電離輻射(ionizing radiation)——即能對物質(zhì)產(chǎn)生電離作用的輻射。 *事故所涉及的輻射及核療設(shè)備所使用的輻射大都屬于這一類型。

       現(xiàn)在進(jìn)入正題。 有關(guān)輻射的單位大體可分為兩類， 一類與輻射源有關(guān)， 另一類與吸收體有關(guān)。 我們先介紹前者。 對輻射源來說， 表征其特性的核心指標(biāo)是作為輻射產(chǎn)生機(jī)制的核裂變反應(yīng)的快慢程度， 具體地說， 是單位時間所發(fā)生的核裂變反應(yīng)平均次數(shù)。 物理學(xué)家們將這一指標(biāo)稱為放射性活度(radioactivity)， 它的單位叫做貝克勒爾(becquerel——符號為Bq)[注一]， 簡稱貝克， 其定義為每秒鐘一次核裂變。 貝克是國際單位制中的導(dǎo)出單位(derived unit)。

       很明顯， 對于給定類型的輻射源來說， 放射性活度的高低與輻射源的質(zhì)量有著直接關(guān)系， 輻射源的質(zhì)量越大， 平均每秒鐘發(fā)生的核裂變反應(yīng)次數(shù)*越多， 放射性活度也*越高(有興趣的讀者可以想一想， 需要知道什么樣的額外信息， 才能在放射性活度與質(zhì)量之間建立定量關(guān)系？)。 由于核裂變反應(yīng)是微觀過程， 單槍匹馬而論對宏觀的影響是微乎其微的， 因此貝克是一個很小的單位， 實際應(yīng)用時常常要用千貝克(kBq)和兆貝克(MBq)來輔助。

       除貝克外， 描述放射性活度還有一個常用單位叫做居里(curie——符號為Ci)[注二]， 它是貝克的370億倍(3.7×1010倍)。 換句話說， 一個放射性活度為1居里的輻射源平均每秒鐘發(fā)生370億次核裂變反應(yīng)。 有讀者可能會問： “370億” 這一古怪?jǐn)?shù)字是哪里來的？ 答案是： 來自于一克鐳(radium)同位素226Ra每秒鐘的大致衰變次數(shù)。 與貝克相反， 居里是一個很大的單位， 實際應(yīng)用時常常要用毫居里(mCi)和微居里(μCi)來輔助。 居里不是國際單位制中的單位， 但應(yīng)用廣泛程度不在貝克之下。 不同*對這兩個單位有不同的喜好， 比如在澳大利亞， 貝克用得較多； 在美國， 居里用得較多； 而在歐洲， 兩個用得差不多多。

       由于放射性活度與輻射源的質(zhì)量有關(guān)， 又比質(zhì)量更能準(zhǔn)確反映輻射源的基本特征——輻射能力——的強(qiáng)弱， 因此當(dāng)人們談?wù)摵耸鹿手休椛湓吹男孤r， 常常會用放射性活度的單位， 即貝克和居里， 來描述泄漏數(shù)量。 比如美國能源與環(huán)境研究所(Institute for Energy and Environmental Research)近日發(fā)布的一份報告宣稱震后前11天里福島**的碘(iodine)同位素131I的泄漏總量約為2400000居里(以放射性活度而論相當(dāng)于2.4噸鐳同位素226Ra， 不過由于131I的半衰期很短， 相應(yīng)的質(zhì)量要小得多， 對環(huán)境的危害則主要是短期的)。 當(dāng)泄漏出的輻射源沾染到別處時， 人們除了關(guān)心泄漏總量外， 還常常要了解受沾染地區(qū)單位面積土地、 單位體積空氣、 或單位質(zhì)量土壤中的輻射源數(shù)量， 描述那些數(shù)量的單位是貝克(或居里)每平方米、 每立方米、 或每千克等， 我們在新聞中也能見到它們的身影。 比如前蘇聯(lián)切爾諾貝利(Chernobyl)*事故在芬蘭和瑞典造成的銫(caesium)同位素137Cs的沾染約為40千貝克每平方米。

       以上*是與輻射源有關(guān)的主要單位。 接下來介紹一下與吸收體有關(guān)的單位。 知道一個輻射源的放射性活度， 只是知道了它的輻射能力， 卻不等于知道它所發(fā)射的輻射對吸收體的影響， 因為后者明顯與距離輻射源的遠(yuǎn)近、 輻射源的類別、 吸收體的類別等諸多因素有關(guān)。 那么， 怎樣才能描述輻射對吸收體的影響呢？ 一種常用的手段， 是利用電離輻射能對物質(zhì)產(chǎn)生電離作用這一基本特性， 通過測量它在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量干燥空氣中產(chǎn)生出的電離電荷的數(shù)量， 來衡量它對吸收體的影響。 這種手段產(chǎn)生出了一個叫做倫琴(roentgen——符號為R)的單位[注三]， 它被定義為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1千克干燥空氣中產(chǎn)生0.000258庫侖(2.58×10-4庫侖)的電離電荷。 讀者想必要問：“0.000258”這一古怪?jǐn)?shù)字是哪里來的？ 答案是： 來自于單位換算。 因為倫琴這一單位*初是在所謂的厘米?克?秒(cgs)單位制中定義的。 在那個單位制下， 它的定義是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1立方厘米干燥空氣中產(chǎn)生1靜電單位的電離電荷。 有興趣的讀者可以對單位作一下?lián)Q算， 證實一下“0.000258”這一古怪?jǐn)?shù)字的由來。

       倫琴這個單位的使用范圍比較狹窄， 主要是針對象X射線和 γ 射線那樣的電磁輻射。 不過由于大氣中的電離電荷比較容易測量， 因此它一直是一個常用單位。 除倫琴外， 描述輻射對吸收體影響的另一個常用單位叫做戈瑞(gray——符號為Gy)[注四]。 如果說倫琴是以電荷為指標(biāo)來描述輻射對吸收體的影響， 那么戈瑞則是以能量為指標(biāo)來描述輻射對吸收體的影響。 在輻射研究中， 人們把單位質(zhì)量吸收體所吸收的輻射能量稱為吸收劑量(absorbed dose)， 戈瑞是吸收劑量的單位， 其定義是每千克吸收體吸收1焦耳的能量。 很明顯， 倫琴與戈瑞這兩個單位之間是存在關(guān)系的(因為電離需要耗費能量)， 不過這種關(guān)系與吸收體的類型有關(guān)(有興趣的讀者可以想一想， 需要知道什么樣的額外信息， 才能在倫琴與戈瑞之間建立定量關(guān)系？)。 戈瑞是國際單位制中的導(dǎo)出單位， 與戈瑞有關(guān)還有一個常用單位叫做拉德(rad)， 它是 “輻射吸收劑量”(radiation absorbed dose)的英文縮寫， 大小為戈瑞的百分之一(10-2)。

       倫琴、 戈瑞及拉德都是描述輻射對吸收體影響的常用單位， 但對于我們*關(guān)心的輻射對人體的危害來說， 它們都不是*好的單位， 因為輻射對人體的危害并不單純?nèi)Q于電離電荷或吸收能量的數(shù)量， 而與輻射的類型有關(guān)， 這種類型差異可以用一系列所謂的 “輻射權(quán)重因子”(radiation wieghting factor)來修正。 考慮了這一修正后的吸收劑量被稱為劑量當(dāng)量(dose equivalent)， 它的單位則被稱為希沃特(sievert——符號為Sv)[注五]， 簡稱希。 希沃特是國際單位制中的導(dǎo)出單位， 其定義為：

以希沃特為單位的劑量當(dāng)量=以戈瑞為單位的吸收劑量 × 輻射權(quán)重因子

       為了使該定義能夠應(yīng)用， 有必要列出一些主要輻射的輻射權(quán)重因子：

           輻射類型輻射權(quán)重因子

           X射線、 γ 射線、 β 射線1

           能量小于10 keV的中子5

           能量為10-100 keV的中子  10

           能量為100-2000 keV的中子   20

           能量為2-20 MeV的中子10

           能量大于20 MeV的中子5

           α 粒子及重核  20

       由上述表格不難看出， 中子輻射的輻射權(quán)重因子要比X射線、 γ 射線、 β 射線高得多， 這意味著對于同等的吸收劑量， 中子輻射對人體的危害要比X射線、 γ 射線、 β 射線大得多。 中子彈(neutron bomb)之所以是一種可怕的武器， 一個很重要的原因*在于此。

       希沃特不僅是劑量當(dāng)量的單位， 而且還是描述輻射對人體危害性的另一個重要指標(biāo)——有效劑量(effective dose)——的單位。 什么是有效劑量呢？ 它是將人體內(nèi)各組織或器官所吸收的劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)化為均勻覆蓋全身的等價劑量， 然后加以匯總的結(jié)果。 有效劑量這一概念之所以有用， 是因為在很多情況下， 人體內(nèi)各組織或器官所受輻射的劑量當(dāng)量是不均勻的， 有的器官多， 有的器官少。 有效劑量通過將這種不均勻性均勻化， 使我們能用一個單一指標(biāo)來描述輻射對人體的總體危害， 從而有很大的便利性。 那么， 人體內(nèi)各組織或器官所吸收的劑量當(dāng)量如何才能轉(zhuǎn)化為均勻覆蓋全身的等價劑量呢？ 答案是利用一系列所謂的 “組織權(quán)重因子”(tissue weighting factor)， 它們與相應(yīng)組織或器官所受輻射的劑量當(dāng)量的乘積， *是均勻覆蓋全身的等價劑量。 而匯總無非*是做加法——即對各組織或器官所對應(yīng)的等價劑量進(jìn)行求和， 因此：

有效劑量=Σ(劑量當(dāng)量 × 組織權(quán)重因子)

       為了使該定義能夠應(yīng)用， 有必要列出一些主要組織或器官的組織權(quán)重因子(有興趣的讀者請想一想， 組織權(quán)重因子為什么都小于1？)：

           組織或器官名稱組織權(quán)重因子

           性腺  0.20

           肺、 結(jié)腸、 胃等  0.12

           膀胱、 胸、 肝、 腦、 腎、 肌肉等   0.05

           皮膚、 骨骼表面等0.01

       希沃特是一個很大的單位， 實際應(yīng)用時常常要用毫希(mSv)或微希(μSv)來輔助。 比如一次胸部透視所受輻射的有效劑量約為幾十個微希； 一次腦部CT所受輻射的有效劑量約為幾個毫希； 一個人在正常自然環(huán)境中每年所受輻射的有效劑量也約為幾個毫希。 人體短時間所受輻射的有效劑量在100毫希以上時， *會開始有不容忽視的風(fēng)險， 劑量越大， 風(fēng)險越高， 劑量若大到要直接動用希沃特這個單位(比如達(dá)到幾個希沃特)， 那么*算不死也基本只剩半條命了。 除希沃特外， 描述劑量當(dāng)量或有效劑量還有一個常用單位叫做雷姆(rem)， 它是 “人體倫琴當(dāng)量”(roentgen equivalent in man)的英文縮寫， 大小為希沃特的百分之一(10-2)。

       有效劑量由于是平均到全身后的劑量當(dāng)量， 在使用時不必指定具體的器官或組織。 但無論有效劑量還是劑量當(dāng)量， 它們作為吸收劑量， 其數(shù)值都與人體與輻射源的相對位置密切相關(guān)， 因此在用于描述輻射源的危害性時， 通常要指明吸收體的位置才有清晰含義。 此外， 在象核事故那樣輻射持續(xù)存在的環(huán)境里， 人體所受輻射的有效劑量或劑量當(dāng)量與暴露于輻射中的時間成正比， 因此在談?wù)摃r必須給出時間長短。 籠統(tǒng)地談?wù)撘粋€不帶時間限制的有效劑量或劑量當(dāng)量， 比如 “福島*內(nèi)*新核輻射量達(dá)到400毫希”， 是沒有意義的。

       以上*是對主要輻射單位的簡單介紹， 希望有助于大家閱讀和辨析新聞。 在本文的*后， 給有興趣的讀者留一道簡單的習(xí)題： 若一個人的胸部受到能量20 keV、 吸收劑量2毫戈瑞的中子輻射照射， 胃部受到吸收劑量3毫戈瑞的X射線照射， 請問此人所受輻射的有效劑量是多少毫希？

注釋

       1.該單位的命名是紀(jì)念法國物理學(xué)家貝克勒爾(Henri Becquerel, 1852-1908)。

       2.該單位的命名是紀(jì)念居里夫婦(Pierre Curie and Marie Curie)。

       3.該單位的命名是紀(jì)念德國物理學(xué)家倫琴(Wilhelm R?ntgen, 1845-1923)。

       4.該單位的命名是紀(jì)念英國物理學(xué)家戈瑞(Louis Gray, 1905-1965)。

       該單位的命名是紀(jì)念瑞典學(xué)物理學(xué)家希沃特(Rolf Sievert, 1896-1966)。