光子与辐射

光子，又称"光量子"，是光和其它电磁辐射的量子单位。一般认为光子是没有质量的，有些理论中允许光子拥有非常小的静止质量，这样光子会最终衰变成一种质量更轻的粒子。如果这种衰变是确实可能的，光子就是有寿命的，据最新研究表明其寿命为10的18次方年，甚至比宇宙的寿命都长，真正可以说得上是万世不灭。

平常我们所说的光大多数指可见光，红橙黄绿蓝锭紫是光子波长在400nm~ 780nm 范围内的光子，其基本的参数之一就是波长，不同波长的光子性质千差万别。图一是电磁波谱图。从中我们可以看到，波长最短的伽马射线仅为千分之一纳米，而最长的无线电波波长长达数十米，医院里CT机的X射线波长在1纳米左右。用来杀菌消毒的紫外线比可见光波长短，烤箱产生的用来加热食物红外线的波长则比可见光波长，此外还有微波炉产生的波长为厘米量级，而收音机接受的短波波长为米量级。

图1：电磁波谱图

辐射是指一种能量传播的方式，比如说热辐射就是指物体以往外发射光子的形式放出能量，我们的太阳就是一个超级辐射源，为人类提供了各种形式的能源。辐射是一个中性词，但是留在人们心中的辐射常常是指那些对人体会造出伤害，即造成不好的生物效应的辐射。通常辐射出来的粒子，可以是光子，也可以是带电的粒子，比如α粒子，它是氦原子丢失了外层电子的原子核部分，β粒子则是电子，而伽马粒子则是上面的电磁波谱图中的提到的高能光子，可见光也是辐射的一种。

我们再来看看辐射发生的原因。世界外物都是由原子核和电子组成，原子核是由不带电的中子和带电的质子组成，通常一个原子核中的质子和中子的数量大致相等，当两者差别较大时，不管是中子太多还是质子太多时，原子核会变得不稳定，它便会通过辐射的方式放出多余的能量，这个过程称之为放射性衰变。包含不稳定性的原子的物质称为放射性材料，它可以是天然的矿石，可也是人工合成物质。正是辐射的这种特性，光子和其他辐射粒子的发射经常伴随着物质在两个不同能级的跃迁，辐射出粒子的能量就等于两个能级的差。可见光的能量落在半导体材料的电子能级范围（几个电子伏特），所以半导体材料可用来制造LED。具有较高能量的光子比如x射线的发生通常伴随着电子能级跃迁，而能量更高的γ射线则是伴随着原子核能级跃迁。由此可知无线电波、可见光、X射线、伽马射线它们并无本质区别，都处于有高能量状态的物质往低能量状态转变发出的粒子，它们之间的差别是可见光能量较低，对人体的伤害较小，而高能的伽马射线能量较高，对人体的伤害也较大。

我们可以用一堆火的例子来理解光子、辐射、放射性材料。当我们点燃篝火，木材会发热发光，这就是一种辐射。放射性材料就是以发射粒子或者波的形式辐射能量，这里的木材就是放射性材料。引起人们恐慌的原因之一是辐射的粒子几乎都是人的肉眼看不到的，它们大多数不可能通过人的感觉器官感知，等到人体可以感知的程度的时候时，辐射已经对人体产生了不可逆转的伤害了。因此我们需要借助各种不同类型的探测器才能知道辐射的存在。

光子作为辐射的一种，根据其能量不同对人体的伤害程度也不同，衡量这种伤害程度的物理量有很多，比如吸收剂量、剂量当量、有效剂量等。吸收剂量表示单位质量介质中吸收的能量即1J/kg= 1 Gy=100 rad。人体对不同的辐射粒子反应不同，上文提到的α，β，γ三种粒子中，α对人体伤害较大，其权重因子为β，γ的20倍，其单位为1J/kg= 1Sv=100 rem。常见的四种辐射粒子的权重因子如表1所示，权重因子就反应了不同类型的辐射对人体的伤害程度。吸收剂量乘以权重因子就是剂量当量，剂量当量乘以反应人体的不同部位的组织权重因子WT就是有效剂量。皮肤的权重因子为0.01，肝的为0.05，性腺的为0.2，权重因子越大表示对辐射越敏感。粒子的权重因子和人体组织权重因子都是无量纲的。

表1：不同粒子的辐射权重因子

全世界不同地区的人所受的辐照剂量是不同的，据统计资料显示美国人每年接受的辐射剂量为6.2mSv，而日本则为2.40mSv，这些剂量主要来源有氡元素（存在于空气和土壤中）、宇宙射线、医学CT等。图二是主要的剂量来源及其所占比例，从中可以看出我们受到天然辐射和人造辐射的剂量大致相等。个人剂量最大比例的依次是氡元素、包括CT在内