【严肃科普】带你认识原子、电离辐射、辐射剂量和盖格计数器
一、从辐射到电离辐射
辐射，即以波或粒子的形式向周围空间传播能量。一般地，某物发出射线，射线照射受照物质，受照物质可能因此发生物理或化学变化。
辐射无处不在。例如，打开灯，灯光照射屋子，而你可能觉得耀眼。太阳、地暖、人体、信号塔都是如此，只有部分辐射是有害的。一种辐射效应是电离。物理学的电离，指不带电粒子在高压电弧或高能射线等的作用下，变成带电粒子。辐射按照使物质电离的能力，分成电离辐射和非电离辐射。注意，这是按照辐射的作用方式，而非产生方式分类。
我们今天讲的辐射是电离辐射，下面若无特殊说明，“辐射”均指电离辐射。电离辐射，全称致电离辐射，是携带能量足以使受照射物质的原子或分子中的电子成为自由态，从而使原子或分子电离的辐射。非电离辐射携带的能量低，不足以使物质电离。能否电离，在于波长与频率，或粒子的能量。频率或能量不足，射线数量再多也不引起电离。
二、从原子、电磁场到电离辐射
微观上，发出电离辐射的是原子或电磁场。原子呈电中性，由带负电的电子和带等量正电的原子核组成。组成原子核的粒子叫核子。核子有不带电的中子和带正电的质子两种，原子核的电性就源于后者。两个中子和两个质子组成阿尔法粒子，电子又称贝塔粒子。这些粒子的射流，即阿尔法射线、贝塔射线等。
不同于前面四种粒子，光子总以光速运动，并具有能量、动量和动态时的质量。光子的运动轨迹是某些波，波长在1皮米到10纳米间的光子波即X射线，波长比1皮米还短的光子波即伽马射线。上述六种辐射，是最常见的电离辐射。
从效果看，X射线和伽马射线都是电离辐射。从产生方式看，它们还属于电磁辐射，即电场和磁场的交互变化产生的电磁波辐射。这种变化可能由原子的变化引起，与其他电离辐射伴生；也可能由电荷移动产生。所以，将电离辐射和电磁辐射对立，认为X射线和伽马射线不属于电离辐射，或者不论射线种类地说电离辐射计无法探测电磁辐射，都是错误的。除了X和伽马射线，某些波长稍长的电磁辐射也可能有害。但它们没有严重到有电离能力，不属于电离辐射，例如紫外线和日常的微波信号。注意，不能抛开剂量谈毒性。
三、辐射源与辐射污染
释放电离辐射或放射性物质的物品，称为辐射源。放射性物质是构成它的原子自发释放粒子的物质，它可以化合物、单质；气体、液体或各种形态的固体形式存在。辐射源不一定是放射性物质，例如X光机。辐射源分为天然和人工两类。天然辐射源主要是宇宙、宇生放射性核素和原生放射性核素。核素即某种原子核有特定数量质子、中子和特定能态的原子。宇生放射性核素，即地球上的原子被宇宙射线照射而产生的放射性核素。地球上本就存在的放射性核素，即原生放射性核素。考虑到地球的年龄，现存原生放射性核素的半衰期都非常长。人工辐射是来源于人类活动的电离辐射。例如，一个山区有铀矿，所以有天然辐射；人开采铀矿，造成人工辐射。人工辐射源核设施、核试验和核技术应用等。
直接或间接接触辐射源，以及被辐照，有可能导致辐射污染。第一，放射性物质可能沾染到物品表面或内部。第二，通过化学反应，放射性核素可能参与构成物品或人体。第三，物质被辐照，可能引发感生放射性。例如，医院里参与辐射的设备、空间和人员，在设备停机后仍会有一段时间的放射性。其实质是被辐照的原子也变成了放射性核素，不要想当然地认为这是入射射线在打转。
四、盖格计数器与辐射剂量
根据电离辐射引起被照射物质电离的特性，可将探测电离辐射转换成探测被辐照物质的电离。现在，我们讲解最著名的盖格-米勒探测器。
1909年，卢瑟福领导完成了金箔实验，证明了原子核的存在。而盖格就是他的助理。一战后，盖格和他的学生米勒改进了金箔实验中的计数管，1928年，盖格-米勒计数管问世。它的原理说来也简单，我们现在复习高中物理知识（泪目）。电容器即两个相邻导体夹一个绝缘体或真空。当导体连接电源，这个电路就在绝缘体处被阻断。当电压超过绝缘体的耐受力，即击穿电压，绝缘体就无法绝缘，电路被导通。盖格-米勒计数管本质上就是充电的电容器，放射线电离中间的气体，将电容导通。规定时间内导通的次数反映了辐射的强弱。
盖格计数器是一种气体探测器。这不是说它专门探测放射性气体的辐射，而是指被辐照而电离的是气体。探测器的部件主要是探测管、处理元件、输出元件和电池。核心元件探测管主要有三种：电离室、正比计数管、盖格-米勒计数管（G-M计数管）。
盖格-米勒计数管的一般结构是，中间充混有卤素的稀薄稀有气体，阳极在管子中轴，阴极在管壁，两极与外加电源相连。计数器的工作步骤如下。开机时，电源接通，就构成了充电的电容器，气体间形成了临近将气体电离的电压。当一颗射线的粒子穿过管壁，气体就立刻被电离，产生电子-离子对。这对粒子分别带负电和正电，在外加电源的作用下，向两极移动形成电流，意味着电容器被导通。这便是脉冲电信号，即“能量响应”。卤素使导通的电容器猝灭，重回断开充电状态，等待下一个入射粒子。其他元件处理这个脉冲电信号，计数一次。对于盖格来说，计数就是探测，就是测度。在规定时间内，如一秒钟的计数，就反映了辐射强度。
其他条件不变，气体探测元件能接收的电子-离子对数目，随外加电压而变化，总体上正相关。外加电压越大，电子和离子越容易向两极偏转，能收集到的也就越多。如图所示，电压大小根据相应的收集数目，可分为5个区间。第五区又称G-M区，顾名思义，是盖格管工作的区域。此区域电压高，有几百伏，被探测射线电离出的粒子经高电压加速获得更多能量，将更多的原子电离，造成两极收集到的粒子，比射线本身制造的多。所以盖格计数器的灵敏度高，输出信号大，简单便宜，普及率高。为了将几伏的电源电压升到盖格管所需电压，电路中还有一些元件，我们不深入探究。
我们还有几个问题需要说明。
第一，盖格计数器的输入。盖格-米勒计数管等气体探测器收集的是被射线电离出的带电粒子，而不是射线粒子本身。所以理论上，不带电的X射线、伽马射线和中子射线也可被盖格探测器发现。但另一方面，阿尔法粒子穿透力非常弱，在固体中的射程只有十几微米，用普通的盖格探测器发现阿尔法辐射几乎不可能。穿透力强的粒子也可能数量较少，或因阻碍而失去进入计数管的动能。于是，有的计数管使用云母、塑料或铍制成窗口来方便射线进入。另外，为增强计数管的敏感度，可调整外加电压、选用体积大的盖格管。
针对可能的接受低能量，输出过高信号的问题，部分盖格管有“能量补偿”，即用铅、锡等材料适当包裹盖格管。这使示数随辐射增强而平滑增大，但也阻碍射线进入。盖格计数管有“死时间”。如果当一个入射粒子引起的放电还未猝灭，又有入射粒子进入，后进入的就无法引起新放电而被漏计。
第二，盖格计数器的输出。它只能计数而反映射线的强度，不能具体分辨射线的种类和能量。现在的盖格计数器，往往可将计数转化成更好理解的物理量，如当量剂量率。注意，探测器探测的是所有能接收到的辐射。要想知道某物体独立的辐射，要将示数与当地本底辐射值相减。吸收剂量D，即电离辐射滞留在单位质量物质中的平均能量。吸收剂量的现行单位是戈瑞Gy，即焦耳每千克（J/Kg）。然而，吸收剂量相同，射线种类不同，人体某器官发生的生物效应可能不同。为了统一表示各种射线对机体某器官的作用，由吸收剂量引申出当量剂量H。H=WR*D，D是吸收剂量，WR是人为给予各种射线的权重因子。当量剂量的单位也是焦耳每千克，但单位名称是著名的希沃特（Sv），或说西弗。由于1希沃特相对于日常的辐射剂量太大，一般用毫希沃特（mSv）。当量剂量又引申出当量剂量率，即单位时间内的当量剂量。单位时间是小时，当量剂量率的单位就是Sv/h。此外，为了统一整个机体的反应，可再将各器官或组织的当量剂量乘以相应给定的权重后相加。
第三，盖格计数器的量程。量器必然有量程，以某盖格探测器为例，剂量率量程是0.1微希沃特每小时到10毫希沃特每小时。它还有累积剂量量程，从0希沃特到10希沃特。我国规定公众一生中，平均每年的剂量不得超过1毫希沃特，除以24乘365的积，即0.114毫希沃特每小时。所以10毫希沃特每小时对日常还是够用了。
有人发现盖格对医院X光室没反应，排除故障或不适于X射线的情况，原因一般有二：一，医用X光是人工射线，没开机就不存在。二，即使开机，X光照射时间极短，不足以盖格探测器形成读数。注意，探测器探测的是所有能接收到的辐射。要想知道某物体独立的辐射，要将示数与当地本底辐射值相减。如果认为计数器读书不准，可以比较正常环境和被测物体的示数相对大小，有问题再做进一步处理。
第四，盖格计数器的保存。盖格管有保质期和使用寿命。保质期可能是几年，使用寿命的本质是计数数量，可能是10的9次方、10次方等。盖格计数器很脆弱，特别不耐摔；附近的电磁信号等会它影响工作；用完要及时断电。单纯一根盖格管不能计数报警，还得配合相应的电路。所以不要图便宜只买一根管子或者随意替换。其他品种的探测器可能用半导体，不要拆开一看没管子就认为买了假货。盖格计数器本身没有辐射，但可能在检测辐射时被污染，或者随设备配辐射源以供校准，需要特别关注。使用计数器时，最好别贴到被测物上，或者用塑料袋做隔离处理。最后，本人非物理专业，多年没学物理，欢迎在评论区提出知识方面的建议。
谨以此文纪念我丢失的高中课本和《知识树》
