鉛為什么能阻擋射線

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

鉛為什么能阻擋射線


鉛主要用來阻擋伽馬射線(γ射線),這是一種高能射線,屬于電磁波范疇,當它接觸到原子時,很容易導致原子的電子獲得能量之后就跑掉了,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 。
但核輻射的類型并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 。
要理解這是為什么,我們多少得知道核輻射究竟是怎么回事兒 。那就需要多一點耐性讀完下面這些文字 。
核輻射究竟是啥?
鉛為什么能阻擋射線


圖示:核輻射產生于原子衰變的過程中,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,這仿佛科學版的“煉金術”,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,當然別擔心你家里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 。放射性元素發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涂,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厘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 。
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圖示:粒子甚至無法穿透一張紙,也無法穿透幾厘米的空氣 。
鉛為什么能阻擋射線


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镅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癥 。最臭名昭著的是元素是放射性氡,這玩意是種氣體,吸入它之后,它釋放的α粒子直接轟擊你的肺細胞,就可能導致肺癌,不吸煙的人患上肺癌,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,吸引旅游觀光并且歡迎大家去泡澡呢,在我看來這就是作死 。
  • β粒子


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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,就是通過制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,至于被電視廣告搞成了白癡,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系 。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射線的范圍有重疊,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

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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 。
中子由于缺乏電荷,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,而防范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 。
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圖示:三種阻擋高能快速中子的方案 。
1、首先鎘板阻擋,然后鉛屏蔽,最后用含硼酸的水溶液
2、首先鎘板阻擋,然后鉛屏蔽,最后用混凝土阻擋
3、首先用水阻擋,然后用鎘板阻擋就解決問題,這是最簡單廉價的方案 。
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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 。
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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于暫時無法使用(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,并且在被中子轟擊后可以變成具有高放射性的物質 。
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圖示:反核戰爭運動中的標語,反對研發新型核武器中子彈 。第一顆中子彈于1974年被加入美國武器庫 。
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 。
怎么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鉛板的屏蔽效果等于6mm鐵板的屏蔽效果,又等于12cm厚的實心磚塊 。
鉛為什么能阻擋射線


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 。
為什么射線會被擋住呢?
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 。
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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,使它成為反沖電子,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,并很快湮滅 。
鉛為什么能阻擋射線


那么為什么是鉛呢?
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 。
那為什么不是其它密度更大的物質呢?
【鉛為什么能阻擋射線】其它的大密度物質要么非常難以獲取,要么非常的珍貴(如金),相比之下,鉛已經是最理想的選擇了 。

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