輻射單位簡介

2011年3月11日發生在日本仙臺港以東海域的9.0級地震及海嘯(2011 Tōhoku earthquake and tsunami)引發的日本福島**(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， 常常出現諸如 “...的泄漏量為...居里”、 “...的空氣濃度達到...貝克/立方米”、 “輻射量高達...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論的輻射做一個界定。若無特殊說明， 本文所談論的輻射全都是指由核裂變(nuclear fission)反應產生的電離輻射(ionizing radiation)——即能對物質產生電離作用的輻射。 *事故所涉及的輻射及核療設備所使用的輻射大都屬于這一類型。

現在進入正題。 有關輻射的單位大體可分為兩類， 一類與輻射源有關， 另一類與吸收體有關。 我們先介紹前者。 對輻射源來說， 表征其特性的核心指標是作為輻射產生機制的核裂變反應的快慢程度， 具體地說， 是單位時間所發生的核裂變反應平均次數。 物理學家們將這一指標稱為放射性活度(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量有著直接關系， 輻射源的質量越大， 平均每秒鐘發生的核裂變反應次數*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量之間建立定量關系？)。 由于核裂變反應是微觀過程， 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生370億次核裂變反應。 有讀者可能會問： “370億” 這一古怪數字是哪里來的？ 答案是： 來自于一克鐳(radium)同位素226Ra每秒鐘的大致衰變次數。 與貝克相反， 居里是一個很大的單位， 實際應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量有關， 又比質量更能準確反映輻射源的基本特征——輻射能力——的強弱， 因此當人們談論核事故中輻射源的泄漏時， 常常會用放射性活度的單位， 即貝克和居里， 來描述泄漏數量。 比如美國能源與環境研究所(Institute for Energy and Environmental Research)近日發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于2.4噸鐳同位素226Ra， 不過由于131I的半衰期很短， 相應的質量要小得多， 對環境的危害則主要是短期的)。 當泄漏出的輻射源沾染到別處時， 人們除了關心泄漏總量外， 還常常要了解受沾染地區單位面積土地、 單位體積空氣、 或單位質量土壤中的輻射源數量， 描述那些數量的單位是貝克(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*是與輻射源有關的主要單位。 接下來介紹一下與吸收體有關的單位。 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近、 輻射源的類別、 吸收體的類別等諸多因素有關。 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產生電離作用這一基本特性， 通過測量它在標準狀態下單位質量干燥空氣中產生出的電離電荷的數量， 來衡量它對吸收體的影響。 這種手段產生出了一個叫做倫琴(roentgen——符號為R)的單位[注三]， 它被定義為在標準狀態下1千克干燥空氣中產生0.000258庫侖(2.58×10-4庫侖)的電離電荷。 讀者想必要問：“0.000258”這一古怪數字是哪里來的？ 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， 它的定義是在標準狀態下1立方厘米干燥空氣中產生1靜電單位的電離電荷。 有興趣的讀者可以對單位作一下換算， 證實一下“0.000258”這一古怪數字的由來。

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來描述輻射對吸收體的影響， 那么戈瑞則是以能量為指標來描述輻射對吸收體的影響。 在輻射研究中， 人們把單位質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系的(因為電離需要耗費能量)， 不過這種關系與吸收體的類型有關(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系？)。 戈瑞是國際單位制中的導出單位， 與戈瑞有關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取決于電離電荷或吸收能量的數量， 而與輻射的類型有關， 這種類型差異可以用一系列所謂的 “輻射權重因子”(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出單位， 其定義為：

以希沃特為單位的劑量當量=以戈瑞為單位的吸收劑量 × 輻射權重因子

為了使該定義能夠應用， 有必要列出一些主要輻射的輻射權重因子：

輻射類型輻射權重因子

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——有效劑量(effective dose)——的單位。 什么是有效劑量呢？ 它是將人體內各組織或器官所吸收的劑量當量轉化為均勻覆蓋全身的等價劑量， 然后加以匯總的結果。 有效劑量這一概念之所以有用， 是因為在很多情況下， 人體內各組織或器官所受輻射的劑量當量是不均勻的， 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， 人體內各組織或器官所吸收的劑量當量如何才能轉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 “組織權重因子”(tissue weighting factor)， 它們與相應組織或器官所受輻射的劑量當量的乘積， *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的等價劑量進行求和， 因此：

有效劑量=Σ(劑量當量 × 組織權重因子)

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

組織或器官名稱組織權重因子

性腺  0.20

肺、 結腸、 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險， 劑量越大， 風險越高， 劑量若大到要直接動用希沃特這個單位(比如達到幾個希沃特)， 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量， 它們作為吸收劑量， 其數值都與人體與輻射源的相對位置密切相關， 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存在的環境里， 人體所受輻射的有效劑量或劑量當量與暴露于輻射中的時間成正比， 因此在談論時必須給出時間長短。 籠統地談論一個不帶時間限制的有效劑量或劑量當量， 比如 “福島*內*新核輻射量達到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.該單位的命名是紀念法國物理學家貝克勒爾(Henri Becquerel, 1852-1908)。

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

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

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

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