03.03 為什麼鉛衣能阻擋核輻射?

電影流浪地球2


答:鉛是元素週期表中,原子序數最大的非放射性元素,同時擁有很高的密度(11.33克/立方厘米),所以能很好地屏蔽核輻射。


鉛衣是一種能有效屏蔽射線的服飾,在做某些放射性檢查時,醫生就有可能用鉛衣把非檢查部位保護起來,從而避免對重要器官造成傷害。

核輻射有三種,分別是:α射線、β射線和γ射線。

(1)α射線的本質是氦原子核,帶兩個單位正電荷,而且質量較大,所以很容易被屏蔽,一張白紙就能完全擋住。

(2)β射線的本質是電子流,帶一個單位負電荷,質量很小,由於常規物質都是由原子核與核外電子組成,所以β射線也很容易被屏蔽,幾釐米的空氣或者一般的金屬就能完全擋住。

(3)γ射線的本質是高能光子,不帶電荷,動質量非常小,穿透力極強。

所以在這三種核輻射當中,γ射線是最危險的,會對人體細胞造成嚴重的不可逆損傷,除此之外還有中子輻射也很致命。


要想屏蔽γ射線和中子輻射,就需要用能吸收射線的物質,本質上任何物質都有概率吸收射線,但是吸收射線的能力大不相同。

對於一種原子,原子內的原子核越大,核外電子數越多,相同厚度下就越容易阻擋γ射線和中子輻射的傳播,鉛是原子序數最大的非放射性元素,擁有高達11.33克/立方厘米的密度,所以能有效地吸收γ射線和中子輻射。


鈾的原子序數更高,密度也更高,能更好地吸收γ射線和中子輻射,但是鈾元素本身就會發生衰變,所以不適合用來屏蔽核輻射;一些貴重元素,比如金、鉑等等,密度也超過鉛,但是本身價格太高,不適合用來大面積屏蔽射線。

混凝土也是屏蔽γ射線和中子輻射的有效物質,所以在重要的軍事場地,建築物都被厚厚的混凝土包裹著,地下重要的房間,都是幾十米的混凝土保護著的。


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很多東西都能阻擋核輻射,甚至一張紙都可以,並不是任何核輻射都需要動用鉛來阻擋。

鉛主要用來阻擋伽馬射線(γ射線),這是一種高能射線,屬於電磁波範疇,當它接觸到原子時,很容易導致原子的電子獲得能量之後就跑掉了,這個過程被稱為電離。而鉛具有很高的原子密度和很高的原子序數(這意味著它有很多電子),因此鉛就成為阻擋伽馬射線的一個很好的屏障,非常適合用來散射伽馬射線或者X射線,防止它們傷害人體。

但核輻射的類型並不是只有伽馬射線這一種,還有別的核輻射,這些核輻射某些可以用一張紙就能阻擋,但另一些則需要很厚的水泥來加以屏蔽,而不是用鉛來屏蔽。因為這時候鉛不好使。

要理解這是為什麼,我們多少得知道核輻射究竟是怎麼回事兒。那就需要多一點耐性讀完下面這些文字。

核輻射究竟是啥?

圖示:核輻射產生於原子衰變的過程中,此時重元素自發地轉變為相對更輕的元素。

直到大約100年前,物理學家們偶然發現某些元素不穩定,它們神奇地會從一種元素變成另一種元素,這彷彿科學版的“鍊金術”,當然不是從黃銅變成黃金,恰恰相反是從“黃金”變成“黃銅”!這種變化的規律總是從更重的元素原子變成更輕的元素原子!所以,我才說這個變化是從黃金變成了黃銅,因為金元素原子可比銅元素原子重,當然別擔心你家裡的金條金磚戒指金耳環,它們非常穩定不會發生這種元素變化,當然也不會釋放出對人有害的核輻射。

核輻射就是在重元素變成更輕的元素的過程中,會釋放出能量和粒子,這些能量和粒子就構成了核輻射。

擁有這種性質的元素也就被稱為放射性元素。放射性元素髮生的變化被稱為放射性衰變。鈾是這種元素的最好例子,它是天然存在的最重的放射性元素。所有比鈾元素更重的元素都是不穩定的元素,都具有放射性。

放射性衰變是一個自然過程。放射性同位素的原子將通過三個常見過程之一自發地衰變成另一個元素:

  • 阿爾法衰變

  • Beta衰變

  • 自發裂變

在這個過程中,產生了四種不同的放射線:

  • 阿爾法射線
  • Beta射線
  • 中子射線
  • 伽馬射線(γ射線)

首先,放射性原子的自然衰變是自然界的一部分,因此它們是“天然的”,但所有放射性元素對對生物都具有潛在的危險性。α粒子,β粒子,中子,γ射線都被稱為電離輻射,這是因為當它們與原子發生撞擊時,可以將圍繞原子核的電子給撞飛了,電子跑掉了,這個過程就被稱為電離,就像老婆跑掉了差不多,這事兒會把我們的細胞攪得一塌糊塗,產生基因突變或者直接死亡。

如何阻擋核輻射

  • α粒子

α粒子很大,它的本質是高速移動的氦原子核,這導致它很容易就能被擋住,事實上只需要一張紙就行或者幾釐米厚度的空氣就足以將它阻擋,失去動能也就失去了傷害人體的能力。因此僅僅產生α粒子的核輻射,只要你離它稍微遠點,那它就對人體幾乎沒有影響。

圖示:粒子甚至無法穿透一張紙,也無法穿透幾釐米的空氣。

圖示:就是因為這東西很安全。所以,最常用的煙霧報警器中就使用了一種只能釋放α粒子的放射性同位素鎇241,它產生的α粒子能電離空氣,這些被電離的空氣被正負電極吸引撞擊在正負極上產生微弱的電流,如果煙霧進入電離室,會中和這些被電離的空氣,電流下降煙霧報警器就會開始發出警報。

但如果你把這類放射性元素吸入或者吃掉,那就是作死了,這時候,高速α粒子直接從體內對你發起攻擊,你就可能會因此患上癌症。最臭名昭著的是元素是放射性氡,這玩意是種氣體,吸入它之後,它釋放的α粒子直接轟擊你的肺細胞,就可能導致肺癌,不吸菸的人患上肺癌,氡就可能是潛在的罪魁禍首。但有些地方還在用放射性氡泉作為賣點,吸引旅遊觀光並且歡迎大家去泡澡呢,在我看來這就是作死。

  • β粒子

β粒子的本質是高能電子,它比粒子小很多,因此也就具有更強的穿透性,但電子終究還是具有實體的亞原子的粒子,因此用一片鋁箔或樹脂玻璃就足以將它們阻擋。事實上從前那種老舊傳統的電視機屏幕,就是通過製造高速電子轟擊熒光粉的方式來實現顯影的,算起來就是人造核輻射了。但傳統電視機除了傷害視力,對人體健康也沒直接影響,至於被電視廣告搞成了白痴,看電視再加上炸雞啤酒,搞成二糖患者,也和高速電子本身沒有直接關係。但同樣的如果吃了或吸入了能釋放β粒子的放射性同位素,那就真是作死了。

  • 像X射線一樣的γ射線

γ射線和X射線的範圍有重疊,但簡單來說就是高能X射線,它的穿透性遠遠超過α粒子和β粒子,這時候就需要用鉛來阻擋了。

  • 中子射線

圖示:中子導致核裂變是原子彈以及當前核電站運行的原理。在這個過程中裂變的原子會釋放出更多的中子,如果條件合適,裂變就能源源不斷地進行下去。

中子由於缺乏電荷,因此高速中子的穿透性非常強。阻擋高速的中子的最好辦法是極厚的混凝土層或水或燃料油等液體來進行阻擋。當前的核電站就是利用中子撞擊重元素原子核實現原子核裂變釋放能量,而防範這些高能中子產生生物危害的辦法就是水、油和厚厚的混凝土層。

圖示:三種阻擋高能快速中子的方案。

1、首先鎘板阻擋,然後鉛屏蔽,最後用含硼酸的水溶液

2、首先鎘板阻擋,然後鉛屏蔽,最後用混凝土阻擋

3、首先用水阻擋,然後用鎘板阻擋就解決問題,這是最簡單廉價的方案。

圖示:中國第三代大型商用大型商用壓水堆核電站,浸泡在高壓水中的核反應堆。

冷戰時期,美蘇曾經想過開發中子彈(一種低當量小型氫彈),這種核彈依靠大量高速中子和伽馬射線,來實現對裝甲中的武裝人員的殺傷,是大規模摧毀坦克和裝甲戰車集團的最佳選擇。

圖示:中子彈測試

中子彈的致命射程遠遠超過其他武器。此外,中子與裝甲相互作用,可使裝甲變得具有放射性以至於暫時無法使用(通常為24-48小時)。例如,M-1坦克裝甲包括貧化鈾,其可以經歷快速裂變,並且在被中子轟擊後可以變成具有高放射性的物質。

圖示:反核戰爭運動中的標語,反對研發新型核武器中子彈。第一顆中子彈於1974年被加入美國武器庫。


裸猿的故事


世界上所有能量的表達都是通過電磁波來實現的,核輻射也是一種電磁波,它是由原子的核變而產生的,主要包括α、β、γ三種射線。

怎麼才能擋住這些射線呢?

其實任何物體都可以,只是阻擋能力是有差別的。舉個例子,1mm鉛板的屏蔽效果等於6mm鐵板的屏蔽效果,又等於12cm厚的實心磚塊。

核電站的外圍防輻射屏障用的也不是鉛,而只是混凝土而已,只要足夠厚,任何射線即便穿透能力再強,也會被隔檔住。

為什麼射線會被擋住呢?

凡是物質都是由原子組成的,代表輻射能量的光子在穿越物質的“原子陣列”的時候,會被這些原子所吸收,這個過程有三種效應:光電效應、康普頓效應、電子對效應。

簡單解釋下這三種效應:

光電效應:光子把能量轉移給核外電子,自己則消失;

康普頓效應:光子與電子發生碰撞,一部分能量轉移給電子,使它成為反衝電子,而光子自身攜帶的能量和傳播方向會發生改變;

電子對效應:光子經過原子時,被原子核的庫倫力所吸引,被轉化成為1個正電子和1個負電子,並很快湮滅。

那麼為什麼是鉛呢?

因為鉛的密度大,即鉛內部原子的質子數和電子數足夠密集,從而更難被穿越。

那為什麼不是其它密度更大的物質呢?

其它的大密度物質要麼非常難以獲取,要麼非常的珍貴(如金),相比之下,鉛已經是最理想的選擇了。

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科學重口味


鉛衣為什麼能阻擋輻射?

核輻射在一切物質中都存在,是一種自然現象,是原子核轉變結構或能量狀態過程中釋放的微觀粒子流,又稱“放射性”。它能使物質電離或激發,因此又稱電離輻射。


在地球上,宇宙射線無時不刻都在轟擊地球物質引起核反應,比如碳14就是宇宙射線中子轟擊地球上的氮14而來。人類最早實現人工核反應的是1919年英國物理學家盧瑟福用α射線粒子轟擊氮生成了碳。



核輻射主要有α、β、γ三種射線,是由放射性物質以波或微粒發射出的能量。

α射線為高速運動的氦原子核,它穿透力弱但電離性強,這讓它用一張紙都能阻擋。不過一旦被吸入或吞進腹內,那就是作死了,它會直接轟擊肺細胞,使患上肺癌。氡原素就是典型的釋放α射線使人致癌的物質。



β射線是電子流,穿透力比α射線略大,不過如果接觸皮膚會有明顯灼傷,只用鋁箔或樹脂玻璃就能阻擋。老式電視就是用β射線轟擊熒光粉來顯示影像。不過如果被吸入同樣危害健康甚至致死。

γ射線穿透力最大,它是極短波長的電磁波,它與x射線一樣,能較遠距離穿透建築物與人體而形成巨大危害。那些核彈及核電站洩露釋放的射線及可見光波對人體的熱效應都能導致大面積人群傷亡。這時候就要用鉛衣等鉛製品來阻擋了,另外厚厚的混凝土、水、油等也是極好的阻擋γ射線輻射的物質。



鉛能防射線輻射是由於它具有很高的原子密度和很高的原子序數,也就是它具有很多電子,這就使它能有效的阻擋短波電磁波的γ射線或x射線,保護人體健康!


弄潮科學



鉛屏蔽指的是使用鉛作為輻射防護減少對人或物體有效劑量的一種形式。因為鉛的密度和原子序數很高,鉛能有效地衰減某些種類的輻射。原則上,它在屏蔽伽馬射線和x射線是有效的。



鉛的高密度是由它的高原子質量和它的鍵長和原子半徑的相對較小的尺寸相結合造成的。高原子質量意味著更多電子需要保持中性電荷和小的原子半徑結合長度,意味著許多原子可以被組裝成特定的鉛結構。由於鉛的密度和大量電子,它非常適合散射x射線和γ射線。這些光線形成光子,一種玻色子,當它們接觸到電子時被賦予強穿透性。沒有鉛屏蔽,人體內的電子會受到影響,這可能會損壞人體脫氧核糖核酸導致癌症。當輻射試圖穿過鉛時,鉛的電子吸收並散射能量。然而最終,鉛會從它所暴露的能量中降解。然而,鉛並不能有效抵抗所有類型的輻射。高能電子(包括中子輻射)可能會造成軔致輻射,對組織的潛在危險比原始輻射更大。此外,鉛不是特別有效的中子輻射吸收劑。



鉛用於x光機的屏蔽,核電站、核實驗室、軍事裝備和其他可能會遇到輻射的地方。有很多種類型的屏蔽既可以用來保護人,也可以用來屏蔽設備和實驗。個人防護包括鉛衣(例如牙科過程中使用的防x射線服裝),防護盾牌和鉛手套。實驗室設備也有各種屏蔽裝置,包括由鉛塊組成的結構,和用於儲存和運輸放射性樣品的厚容器。


軍機處留級大學士


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涉嫌會被擋住!是因為被拘留了嗎?這科學夠嚴謹的啊


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