伽马射线是什么物质「伽马射线对人体的危害和用途」

伽马射线即γ射线,是电磁波谱里面波长最短频率最高的那一段频谱,人类早就知道了,也能够制造出来了。不过这个问题问得有点奇怪,表述不清,如:何谓掌握?

伽马射线是什么,为啥那么可怕,人类现在能制服和利用它吗?
 

是能够对付呢,还是能够使用呢?这就要看怎么说了。下面就从伽马射线的一些常识来阐述一下这个问题,朋友们如果能够认真看完此文,就会和我一样,觉得这个问题有点奇怪了,而且也就会对伽马射线有一个了解了。

先了解一下电磁波谱

我们人类现在看到和感受到,甚至吃喝拉撒涉及到的一切,都要依赖电磁波。为什么这么说呢?因为电磁波充斥着我们世界每一个角落,只要绝对零度以上,任何物体都会有电磁辐射,所谓电磁辐射就是依靠电磁波传递的。

电磁波是依靠光子传递的,因此也可以称为光波。但这个光波分为可见光和不可见光,在日常生活中,光波一般只是指电磁波谱中的可见光部分,可见光只是夹在电磁波谱中间那么一小段。电磁波最长的波段有数公里,甚至更长;最短的只有1埃米以下,这最短的就是伽马射线。

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电磁波有波长和频率,波长与频率成反比,即:波长越长,频率越低,能量就越小;反之,能量就越大。电磁波波长和频率的关系为:c=λf。这里c为光速,λ为波长,f为频率。电磁波波长最长的是无线电波(包括长波、中波、短波、微波),以后从长到短依次为:红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

无线电波的波长在千米级到毫米级,长波无线电波长可达数千米,最短的微波波长只有0.1毫米;可见光波长约在760nm到380nm之间,nm即纳米,1毫米=1000μm(微米),1μm=1000nm,1nm=10^-9m(米)。

可见光后面的紫外线、X射线、γ射线(伽马射线)波长就一个比一个短了,γ射线是电磁波中波长最短的高能射线,波长只有0.1nm以下。

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这个世界上所有的物质都在震动,因此都有频率。频率就是物体每秒钟的震动次数,而电磁波的频率就是电磁波每秒钟震动次数,表示单位为Hz(赫兹)。无线电波频率在1000Hz或更低,到10^9Hz之间;可见光频率范围在3.9*10^14到7.7*10^14Hz之间;伽马射线频率范围最低为10^12Hz,最高可达10^30Hz以上。

新冠病毒大小约100nm,伽马射线波段最长的只有0.1nm,我们想一想就知道了,人类应对新冠病毒都弄得焦头烂额,就更别说比新冠病毒小1000倍以上的伽马射线了,而且其频率是每秒钟震动万亿次以上,这个能量有多大,一旦被伽马射线扫中,岂有不穿透之理?

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因此γ射线是宇宙中最强大的“光”,但这种光看不见,却会杀人。

伽马射线对生物的损害原理

伽马射线由于其波段非常短,能量极高,因此可以穿透任何生物的机体。生物机体都是由细胞组成的,而每个细胞里最核心的是遗传物质DNA。比如人体由40~60万亿个细胞组成,这些细胞有大有小,最大的细胞是卵细胞,成熟的卵细胞有200μm(微米);最小的细胞是血小板,直径只有约2μm。

人体受到γ射线照射,γ射线就会进入人体细胞,与细胞发生电离作用,电离后的离子会侵袭细胞里复杂的有机分子,破坏细胞组织。细胞里最重要的核心遗传物质为DNA,是一种双螺旋结构的大分子,其盘踞在细胞核心,主导着细胞的生死和遗传。

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这个DNA双螺旋体打开长度约两米,如果把1个人细胞中的所有DNA全部打开并连接起来,据称可从地球往返太阳300多次。但DNA螺旋的直径只有2nm,伽马射线会打断并破坏其结构。因此,当生物受到γ射线照射,都会被打断DNA分子键,让生物机体再也无法生存。

当辐射量很大时,生物会瞬间死亡,即便辐射量不大,但机体DNA分子键受损严重,也会缓慢死亡。那种死亡是看着自己机体一寸寸死去的样子,异常恐怖。在臭名昭著的切尔诺贝利核电站爆炸事故中,就有许多居民和救火队员遭受这种地狱般的折磨而死去。

伽马射线产生原理

放射性原子核在发生α衰变、β衰变后会产生一个新核,这个新核处于高能量级,必须向低能级跃迁,跃迁过程就会辐射出γ光子,这就是γ射线。γ射线在核聚变和核裂变中都会发生,因此在宇宙中充满了γ射线辐射。

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太阳的核聚变在体积半径1/4以内的核心里面持续不断进行,主要过程是发生氕核与氕核的链式反应,是从氕到氘再到氦-3,最后到氦-4的反应过程。结局就是4个氕原子核聚变融合成一个氦-4原子核,并在这个过程中释放出伽马光子、中微子和正电子。中微子由于穿透能力极强,很快逃逸出太阳表面到达太空,而携带巨大能量的伽马射线逃离并不容易。

这就涉及到太阳内部光子漫步理论了。光子的传播特点就是真空最快,达到每秒30万千米,但在介质中却磕磕碰碰。太阳内部充满了质子,光子每走一步都会遇到质子,不断进行碰撞和交换。因此,这些光子要穿透70万千米半径的太阳,要与质子碰撞交换10^26次之多,每交换一次就消耗都会衰减,经过几十万年甚至几百万年到达太阳表面的光子,主要就是可见光了。

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所以各位不要奇怪,照在我们身上的阳光,其实是在几十万年甚至几百万年前就诞生的光子。

据科学分析,阳光包括了整个电磁波全波段,但99.9%以上能量集中在200~10000nm波长范围,最大辐射能量位于480nm处,这正是可见光蓝色光的范围。因此我们看到的天是蓝色的,海水也是蓝的。

而200nm波段属于紫外线范畴,紫外线照多了对人体是有伤害的,但绝大部分紫外线经过大气层时被臭氧层吸收或反射掉了,到地表的极少。但还是有点,因此阳光强烈时晒久了皮肤就会受到伤害。

宇宙中的恒星都在核聚变,不断辐射着伽马射线;还有超新星爆发、大质量致密天体如中子星碰撞,会产生更多的伽马射线,甚至伽马射线暴,因此在太空中伽马射线很多。但这些伽马射线被大气层阻隔,来到地表的极少。

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如果在高空或大气层外活动,就很容易受到伽马射线及其他宇宙射线的伤害,因此宇航员们都要做好防护。但伽马射线是很难阻隔的,在太空或外星球活动的宇航员,尽管有飞船和宇航服起到较好防护作用,受到的辐射量还是比地球地表要大很多。

伽马射线穿透力极强,一般建筑物无法屏蔽,只有特制的高密度材料,如铅板等才有一定效果,而且根据伽马射线强度,铅板的厚度也需增加。

在地球上,人们可能受到的伽马射线伤害主要是来自核裂变

重核裂变过程会发生形变,如铀-235核吸收一个中子之后,就形成激发态的铀-236核,随即发生形变,最终断开向反方向飞离,经典库伦能则转化为两个碎片动能,但很快断裂碎片就收缩成球形,形变动能转化为内部激发能,发射出若干中子和γ射线,以平衡退激能量。

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还有许多放射性元素衰变过程,就会发出伽马射线,如钴-60,通过β衰变释放出能量高达315keV的高速电子,衰变成镍60,同时放出两束伽马射线。这些伽马射线如果管控不好,就会伤害人类。

如原子弹爆炸或核电厂泄漏,前苏联切尔诺贝利核电厂爆炸,就导致了严重的放射性污染,威胁着几百万人的健康,辐射直接导致的死亡达7000多人。

利用γ射线造福社会

人类文明是在对大自然规律不断认识中提升的,γ射线本身就是一种自然现象,是元素在聚合或分裂过程释放出来的一种能量,人们认识了γ射线的内在本质,就可以应对和利用它。

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任何科学既可用于造福人类,也可用于危害人类,伽马射线也一样,既可以置人于死地,也可以造福人类。前面对γ射线的危害说了很多,现在说说造福人类的问题。

现在比较常见为人类服务的γ射线有工业探伤和健康医疗运用。工业探伤主要利用伽马射线的穿透力,查看工业品内部的结构是否有问题,比如探查钢板的焊缝,30毫米厚度的钢板焊缝可以采用X射线检查,但超过这个厚度就无能为力了,穿透力更强的伽马射线就大显身手了。

γ射线可以探查300毫米厚度的钢板,方法是在被检查物体后面放上感光胶片,采用伽马射线照射被检查物体,伽马射线透过物体会在胶片上感光,从而留下影像,人们通过对这些影像的分析,就能够了解这个物体有没有问题,是否合格。

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而医疗中常用的是伽马刀和放射疗法。X射线在医疗中也起着很大作用,但主要用作人体影像检查,可以看到人体内部的状态。而伽马射线能量比X射线要大很多,可以透过人体表面杀死体内病灶,这样就无须留下创伤就可杀死体内癌细胞肿瘤,减少对人体伤害,还可触及到创伤手术能以达到的部位。

工业探伤和用于医疗的放射源,采用的是放射性元素在β衰变时,会释放出伽马射线的原理,一般采用钴-60。钴-60是钴的放射性同位素之一,半衰期为5.27年,它会通过β衰变释放出高达315keV的高速电子,衰变成镍60,在这同时释放出两束γ射线。

人类现在还能够制造高能量伽马射线

现在,人类不但可以利用自然界的伽马射线造福人类,科学家们还制造出了高能量的伽马射线。2011年9月,英国斯特拉斯克莱德大学的蒂诺·亚诺辛斯基教授领导的一个团队,发现超短激光脉冲可以和电离气体发生反应,并产生一束极其强大的激光。

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亚罗辛斯基教授团队得到的这束激光,比太阳亮1万亿倍,可以穿透20cm厚度的铅板,1.5米厚度的混凝土墙才能够彻底屏蔽它。

太阳电磁波谱中最多的是480nm波段的可见光,比这个波长短1万亿倍,波长则为这样就是4.8*10^-21m,这么短波长的电磁波对应频率为6.25*10^28Hz,这无疑是一束能量极强的伽马射线。

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这个创造发现意义重大,未来有可能用于诸多领域,如更好地实现医疗成像、放射疗法,还能够更广泛地用于工业和科学实验。由于其持续时间仅有1千万分之一秒,快到足以捕获原子核对激发的反应,可以进一步促进对原子核的深入研究。

因此,人类早就认识和掌握了伽马射线的原理,并且早就开始利用这个自然规律造福人类。不知道我的回答是否解开了这位朋友的疑问呢?感谢阅读,欢迎讨论。

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