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【地震特辑】西弗到底是什么?

这个大千世界是由声、光、电、热、力等各种基本现象组成的,它们都是物理世界中的研究对象。但从更深的物理视角来看,它们都是能量的表现形式。光能、电能、热能等各种形式的能量,都是用焦耳这个统一的单位来表示的。这些能量既不会凭空出现,也不会凭空消失,它们只能从一个物体转移到另一个物体上,或者从一种形式转化为另一种形式。一个 1 千克的物体从 1 米高的地方落下,释放的能量就是 9.8 焦耳;让一个 40W 灯泡发光一分钟,需要的电能就是 2400 焦耳;一个苹果所含能量约为 90 卡路里,换算成焦耳就是 300 多千焦耳。同样地,放射性元素放出的射线也是一种传递能量的方式,它的单位也是焦耳。

19 世纪末,科学界正在为物质放射性的发现欢欣鼓舞,却没有人注意到它可能带来的巨大危害。直到 1896 年,传奇发明家特斯拉(Nikola Tesla)故意把手指放在 X 光下,才发现 X 光竟能产生灼伤。放射性物质对基因的影响,则更是到了 1927 年才被发现。

早期人们用“伦琴”(röntgen)这个单位来衡量放射性物质的照射量大小,这个单位通常简记作 R。这是为了纪念发现 X 射线的德国物理学家伦琴(Wilhelm Röntgen)而设立的单位。1 伦琴就是在一个标准大气压下,在 0 摄氏度 1 立方厘米的空气中造成 1 静电单位的正负离子所需要的照射量。

不过,伦琴这个单位只能表示辐射量的大小,并不能反映生物组织吸收辐射的情况。为了更准确地量化人体遭受有害辐射的严重程度,人们提出了“吸收剂量”(absorbed dose)的概念,即每千克人体组织吸收辐射的能量大小。

但是,不同的辐射源对人体的伤害效果是不一样的。对于每一千克的人体组织来说,吸收 1 焦耳的 α 射线,其杀伤力远远高于吸收 1 焦耳的 X 光辐射。为此,科学家们又专门定义了一种叫做“当量剂量”(equivalent dose)的物理量,让不同类辐射的杀伤力之间可以进行公平的比较。

和吸收剂量一样,当量剂量的单位也是焦耳每千克,区别在于当量剂量要在吸收剂量的基础上乘上辐射权重因数。不同性质的辐射,辐射权重因数是不一样的。X 射线、伽马射线的辐射权重因数都是 1;对人体破坏力极强的 α 射线,辐射权重因数则高达 20。核泄漏将会引发多种类型的辐射,没有一个确定的辐射权重因数,我们通常也就取 1 了。

为了区别吸收剂量和当量剂量两种单位相同但意义不同的物理量,科学界给这两种单位安上了不同的名字。为了纪念英国物理学家戈瑞(Louis Harold Gray),我们把吸收剂量的单位记作“戈瑞”(gray),简称“戈”,用符号 Gy 来表示。每小时 1 戈瑞的辐射,就表示暴露在此辐射下每千克人体组织每小时吸收 1 焦耳的能量。为了纪念瑞典物理学家西弗(Rolf Sievert),我们把当量剂量的单位记作“西弗”(sievert,也译作“希伏”、“希沃特”),用符号 Sv 来表示。两位物理学家都曾系统研究过辐射对生物的影响,对放射生物学都作出了杰出的贡献。

下面这些事实或许可以直观地告诉你,西弗到底是一个什么概念:吸收 1 西弗的辐射会让人感到恶心欲吐,2 到 5 西弗会引起脱发、出血,超过 6 西弗的剂量就很难存活了,超过 8 西弗后死亡率就达到 100% 了。可见,西弗是一个很大的单位,因此在实际使用时,我们通常用“毫西弗”这个单位,用 mSv 表示。两者的换算关系是,1 毫西弗等于 0.001 西弗。有时“毫西弗”也太大了,接受一次 X 光检查也才零点几个毫西弗。因此,我们偶尔也会用到“微西弗”这个单位,用 μSv 来表示。1 微西弗等于 0.001 毫西弗。正常人一年里接受的电视辐射大约就是几个微西弗。

戈瑞和西弗都是国际单位制的导出单位,属于国际标准单位。吸收剂量和当量剂量还有一些非国际标准的单位。吸收剂量有时也用“拉德”(rad)这一单位,1 拉德表示每千克人体组织吸收 0.01 焦耳的能量,也就是说 1 拉德等于 0.01 戈瑞。在数值上,1 伦琴大致就等于 1 拉德。在拉德的基础上乘以辐射权重因数,就能得到一个对应的当量剂量单位,通常被称作“人体伦琴当量”(Röntgen equivalent man),英文里简称“雷姆”(rem)。自然地,1 雷姆也就等于 0.01 西弗了。

 

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The End

发布于2011-03-15, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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matrix67

数学狂

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