可能直到現在,還有許多的朋友們,連最最基本的游離輻射和非游離輻射之間的重大差異都分不太清楚。
簡單來說,游離輻射即是一般所謂放射線﹔而非游離輻射即是一般所謂的電磁場電磁波等。
輻射是一種具有能量的波或粒子,如電磁波(如無線電波、微波、可見光、紫外線、X射線、加馬射線等)以及從放射性物質發射出來的微小粒子(如阿伐粒子、貝他粒子、中子等)都稱為輻射。其中能量較低的,如無線電波、微波、可見光、超音波、紫外線,稱為「非游離輻射」;而能量較高的,如X射線與加馬射線,以及粒子輻射則屬於「游離輻射」。
「電磁波」是由電場與磁場交互作用所產生,屬能量的一種。它以波的形式接近光的速度輻射傳遞,自古以來就以各種面向存在於大自然。
電磁波可分為「游離輻射」和「非游離輻射」。游離輻射係指頻率大於3×1015赫(Hz)的電磁波,一般常稱呼為輻射或放射線。最為人所知的游離輻射就是X光,它的頻率比起非游離輻射高的多,其光子能量強到足以藉由打斷細胞內各種分子的原子鍵而產生游離化(ionizing),必須嚴格防護,因此醫院的X光室都有鉛板屏蔽,避免輻射外洩。
而且,電磁波的一個特徵就是,當電源消失之後(例如手機關機、電腦關機、X光設備關機),電磁波也就隨之消失。
非游離輻射係指頻率小於3×1015赫的電磁波,一般俗稱電磁波者皆屬此類。它的能量較微弱,無法打斷原子的鍵結產生游離化(ionizing)。按照頻率/光子能量高到低的順序,非游離輻射的族群可分為紫外線(UV)、可見光、紅外線(IR)、微波(MW)、射頻(RF)、極低頻(ELF)、以及靜電場與靜磁場。另外極低頻由於波長非常長,約5000公里,所以通常稱為電磁場。
此外,非游離輻射係指能量低且與物質作用後,並無法使物質產生游離作用的輻射。它與我們日常生活的關係更密切,舉凡紫外線、太陽的可見光、燈光、紅外線、微波與雷達、電視與F M無線電波、AM無線電波及長波長的交流電波等皆屬非游離輻射。
至於游離輻射(ionizing radiation)是指波長短、頻率高、能量高的射線,游離輻射無色、無味,感覺不到,目前全球醫學界已經公認所有的游離輻射都沒有所謂安全劑量,換言之凡是多暴露一分則會有多一分的危險。
暴露高劑量的游離輻射可能會引起皮膚灼傷、毛髮脫落、噁心、新生兒缺陷、疾病以及死亡。它對健康的影響取決於暴露量多寡、暴露時間長短。暴露於游離輻射會增加罹患癌症的風險。若一個懷孕的婦女暴露於高劑量的游離輻射,可能會導致其新生兒的腦部發育異常。
游離輻射引起癌症依暴露器官的敏感度不同,而發生的傷害輕重不因。一般器官中以乳房、甲狀腺、骨髓及肺臟最為敏感。乳腺癌比白血病高數倍,另外放射氡氣會引起肺癌及甲狀腺受幅射會生上皮細胞癌等。
核反應爐進行核分裂連鎖反應產生熱能帶動蒸汽渦輪發電機組產生電力的過程中,所產生的輻射,以及其運轉過程中所產生的核廢料,絕大部分都屬於放射性的游離輻射的類別。
放射性核種是不穩定的原子,會放出游離輻射並衰變成另一種原子。 隨著越來越多原子衰變了,剩下的放射性核種數量減少,輻射強度也就越來越弱。 放射性核種發出的強度減少到只有剛開始的一半所需要的時間,稱為「半衰期」,每種放射性核種皆有其固定的半衰期,比如說核電反應爐所產生的放射性游離輻射中常見的銫137(Cs-137),他的半衰期為30.17年,也就是每經過30.17年的時間,他的輻射強度會衰減為原先強度的一半,經過6個半衰期約181年之後,銫137的游離輻射強度會衰減為原先的1.5625%的強度,起碼要經過超過10個半衰期也就是301.7年之後,銫137的游離輻射強度才能衰減到原先的萬分之9.765的強度,回到差不多接近於自然環境背景值的程度。但是,特別一提的是,銫-137是人造輻射物質,原本就不該存在於大自然的環境當中。
核子燃料的主要成分,鈾-238(約佔96%),雖然在普通原子爐中幾乎不起核分製反應,但在吸收中子之後卻產生出長壽命(半衰期有的萬年以上)元素,即自然界不存在的「超鈾元素」,如鈽(Pu)、鋂(Am)、鋦(Cm)等人造放射性游離輻射物質。
PS. 此外,常常有特定族群的朋友們喜歡以所謂香蕉中所含的鉀-40元素來試圖混淆社會大眾視聽,所幸在2017年10 月份時,經義美食品輻射檢測研究室實測結果,香蕉所含的鉀-40,55~75%均集中在香蕉皮,「只要民眾勿迷信吃香蕉皮可治失戀」,就可安心大啖美味又健康的香蕉。
首先,鉀在自然界裡有三種同位素:鉀39(穩定的同位素,占93.3%),鉀41(占6.7%),鉀40(具放射性,占0.01%,也就是萬分之一),這三種同位素本來就存在於自然界中。
衛福部食品藥物管理署副署長林金富告訴中央社記者,依現行法令,僅針對食品中的人工核種訂有標準,例如核電廠爆炸、原子彈爆炸產生的銫-134、137或是碘,但鉀-40是天然核種,國際間沒有國家針對鉀-40訂有標準,台灣也是,因此「沒有超標的問題」。
林金富解釋,鉀-40和鉀-39是同位素,同時存在於自然界中,含有輻射的鉀-40以萬分之一的比例存在於鉀-39中,地球地殼裡、大自然、香蕉、人體裡都有此物質,無法以人工方式去除。
由於非放射性的鉀-39、鉀-41和放射性的鉀-40,都是原本就存在自然界中的元素,專家指出,人體內都含有些微天然輻射,且人類在演化中已對自然界中原本就已經存在的天然微量輻射建立生物恆定(homeostasis),會透過體內的代謝機制來自我調節,因此吃香蕉時,不會因為體內增加「鉀-40」含量而損害健康,毋須擔心。
以下是衛生福利部以及原子能委員會針對食品中鉀40的解釋:
“鉀-40係屬於天然放射性物質,於環境中天然存在,與核污染或輻射污染之情形不同。針對該等天然放射性物質,行政院原子能委員會(以下簡稱原能會)歷年均有進行市售各式商品(包括食品)之抽驗,並已於「天然放射性物質管理辦法」中訂有天然放射性物質核種活度濃度基準值,鉀-40之活度濃度基準值為10貝克/克。
至於食品藥物管理署依據食品安全衛生管理法第15條所訂定之「食品中原子塵或放射能污染容許量標準」,係適用於可能有發生核污染或輻射污染時,包括意外或惡意之行動,並就危害監測之指標性核種(碘-131、銫-134及銫-137)優先訂定標準;而來自太空宇宙射線、土壤、岩石、建材、煤灰等環境,以及自環境間接影響到食物中的天然放射性物質,因無法透過後端之食品予以減少或管制,必須透過源頭降低整體環境之游離輻射,始能減少天然食品原料中之背景值,查目前國際間包括Codex、歐盟、美國、紐澳、加拿大等各先進國家,均無針對食鹽或食品特別訂定鉀-40之限量標準。”
但是不可否認的,在醫學界也常會遭遇到的症狀為血液中鉀離子濃度太高或者過低對健康所造成的負面效應。
人體的鉀離子濃度一旦大於5.1 mg/dl,即為「高血鉀症」,此時容易出現肌肉無力、頭暈、感覺異常、麻木、代謝性酸中毒等症狀,如果血鉀濃度升到7 mg/dl時,會造成心律過緩,嚴重甚至會因心室頻脈而猝死,此類患者即使接受電擊也難以回復正常心律,必須緊急施打藥物才能救命。
低血鉀是臨床上常見的電解質異常,鉀離子是細胞內最主要的電解質,血清正常血鉀值介於 3.5至5.5 mEq/L之間,當血鉀值低於3.5 mEq/L即為低血鉀症。鉀離子主要的生理功能是維持細胞膜正常的電位差,藉由細胞間快速的轉移及腎臟調節鉀離子的排泄,來維持鉀離子的恆定。因此鉀離子在神經肌肉功能與心臟傳導節律扮演重要的角色。
輕微的低血鉀 (血鉀值於3.0至3.4 mEq/L)通常沒有顯著症狀。中等程度的低血鉀(血鉀值於2.5至2.9 mEq/L)則會導致疲倦、肌肉無力、酸痛、抽筋、以及便秘。嚴重的低血鉀 (血鉀值低於 2.5 mEq/L) 可能導致麻痺性腸阻塞、急性肢體無力、反射減弱、心律不整,甚至嚴重到呼吸停止。
食物、飲養攝取首重均衡,任何食物過與不及都會對健康造成負面效應。
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早期宇宙產生的原始重力波,儘管我們還無法完全理解,但透過宇宙背景輻射中的蛛絲馬跡,我們離原始宇宙與暗物質的研究就越來越接近了....
(編按:黑洞生命的最後 0.2 秒....好像有點浪漫?)
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【昨晚,全球各大天文臺重磅發布:人類首次“看到”引力波 中國慧眼衛星做出重要貢獻】
北京時間10月16日22時,在整個天文學界因一則重磅預警“炸鍋”后,吊足胃口的美國國家航空航天局(NASA)、歐洲南方天文臺、南京紫金山天文臺、英國科技設備委員會、法國國家科學研究中心等全球數十家科學機構終于聯合宣布了重大成果:從約1.3億光年外,科學家們首次探測到壯麗的雙中子星并合產生的引力波,及其光學對應體。
該成果由美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)和歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測器及全球其他70個地面及空間望遠鏡共同完成的,包括中國第一顆空間X射線天文衛星——“慧眼”HXMT望遠鏡和中國南極巡天望遠鏡。相關論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)、《自然》等期刊上。
記者從中國科學院高能物理所獲悉,我國第一顆空間X射線天文衛星——慧眼HXMT望遠鏡(以下簡稱“慧眼”望遠鏡)對此次引力波事件發生進行了成功監測,為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻,不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發現的論文(即發現論文),而且在論文的正文部分報告了觀測結果。該論文于10月16日正式發表。
我國第一顆空間X射線天文衛星——慧眼HXMT望遠鏡,于2017年6月15日在酒泉衛星發射中心采用長征四號乙運載火箭發射。
LIGO團隊在2016年2月正式宣布成功探測到由雙黑洞并合產生的引力波,完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖,由此眾望所歸地捧走了今年的諾貝爾物理學獎。然而,這次全球共同完成對同一個天文事件的引力波與電磁波的首次聯合觀測,才正式標志著天文物理掀開多信使時代的新一頁。
清華LIGO科學合作組織工作組負責人曹軍威向澎湃新聞(www.thepaper.cn)介紹道,之前LIGO和Virgo探測到4次來自雙黑洞的引力波信號,在LIGO探測器的敏感頻段內只能持續不到一秒的時間,然而,在8月17日探測到的這個持續了100秒,并且掃過了LIGO的整個靈敏頻段——這個頻段與一個普通樂器能產生的聲波頻段幾乎相同。科學家們可以識別這個天體源的質量遠比迄今觀測到的所有黑洞的質量都要小得多。
LIGO的數據指向了兩個距離地球1.3億光年的相互旋進的天體。數據顯示這個天體系統的質量沒有雙黑洞大,估計為1.1~1.6倍太陽質量,恰好是中子星的質量范圍。對于噪音背景的分析顯示,這種強度的信號是由一致性隨機噪音產生的概率低于每8萬年一次。
一小勺重達10億噸的中子星
引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。時間和空間會在質量面前彎曲,時空在伸展和壓縮的過程中,會產生振動傳播開來,這些振動就是引力波。我們在地球上隨時隨地都可能遭遇來自宇宙中各種源頭的引力波:兩個黑洞并合、碰撞;中子星旋轉、并合;超新星核塌縮等。
LIGO團隊此前探測到的4次引力波事件,均由雙黑洞形成。全世界都在期待,中子星能出現在引力波事件中。
恒星演化到末期,經由引力探索發生超新星爆炸,根據質量的不同,內核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。中子星幾乎完全由中子構成,是目前已知的最小、致密的恒星。一小勺中子星物質就可能重達10億噸。雙中子星系統在圍繞中心旋轉的過程中會不斷放出引力波,導致系統能量降低,軌道縮小,并最終撞在一起,釋放出強烈的引力波。在最終并合前的100秒以內發出的引力波信號正好位于激光干涉儀的靈敏頻段內,因此有機會被觀測到。
“看”到引力波的余暉
黑洞吸收光,無法被觀測到,而中子星則不然。中子星并合過程不但會發射出強列的引力波輻射,還伴隨劇烈的電磁輻射,也就是所謂的光學對應體。可以說,在科學家們“聽”到中子星引發的引力波事件并定位后,就能運用望遠鏡“看”到“光”,即電磁波。
雙中子星并合的藝術想象。窄束代表著伽馬暴,而扭曲的時空網格標志著由并合產生的各向同性的引力波。旋轉的物質團塊是從并合的雙星中拋射出的物質,可能導致了較低能量的電磁信號源。 美國國家科學基金會/LIGO/索諾馬州立大學/A. Simonnet 圖
今年8月份,LIGO和VIRGO開始合作探測引力波。由三處探測器發現的引力波事件不僅更為可靠,也更能準確定位。當時,天文學界已經“謠傳”兩家發現了帶光學對應體的引力波源,疑似由中子星并合產生。不過,消息迅速被當事人刪除。而兩家天文臺在9月底最終發布的結果,是另一次由黑洞并合產生的引力波事件GW170814。
那么,這次這個激動人心的引力波光學對應體究竟是什么呢?
原來,中子星并合以后會發出伽馬光子,該信號在引力波到達地球2秒鐘之后也被觀測到。在其后數周內,這場大并合仍會繼續發出其他頻段的“光”,包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波等。
一場科學盛宴:多信使天文學
經歷了一個月多的“謠傳”和猜測,這個天文學界人人都心知肚明的秘密終于被揭曉。
北京時間8月17日20時41分,LIGO捕捉到時長100秒的GW170817引力波信號。此時,升級為高新LIGO后的第二輪科學觀測正接近尾聲,而Virgo處于剛剛開始升級為高新Virgo的第一次運行。
幾乎同時,GRB 170817A伽瑪短暴觸發了NASA費米望遠鏡(Fermi)的伽馬暴監測器。LIGO-Virgo的分析軟件通過比較兩信號,得出結論:這不太可能只是一個巧合。
隨后,全球各大望遠鏡紛紛啟動后續探測……
這次成果的科學意義毋庸置疑。科學家們對中子星演化、引力波來源、伽瑪暴來源的了解更進一步,后續仍會有更多重要的數據和論文發表。而更重要的或許是這場“群像”性質的天文盛宴:隨著引力波這個重要角色到位,“多信使天文學”掀開了新的一頁,天文物理的“全球化”也必然地更進一步。
清華LIGO工作組自2009加盟LIGO以來,就參與了迄今為止的所有引力波發現。主要研究工作包括:1. 構建了“利用已知脈沖星群組性質探測連續引力波”的方法,并利用該方法搜索信號;2. 完善了“貝葉斯多信使天文學框架”,并且用該框架研究引力波—短伽馬暴;3. 進一步優化GPU加速在線致密雙星并合信號搜尋程序流水線;4. 探索深度學習在引力波實時數據分析中的應用等等。
引力波天文時代到來了。正如2017年諾獎得主Barry Barish接受澎湃新聞專訪時所言:從LIGO探測到引力波起,新一代的天文物理研究者就已繞不開它。