首页 > 科普纵览 更多内容
[中科院高能物理所]来自人体的幽灵粒子
资料来源:中国科学院高能物理研究所  作者:邢志忠

  人和其他动物一样,身体具有微弱的天然放射性,原因在于人每天不得不吃饭、喝水和呼吸,然而食物、饮品和空气中总是存在或多或少的放射性物质,后者被摄入体内,进入组织、器官和骨骼。日久天长,这些积累在人体中的放射性物质就会产生天然放射性。

  人体中占主导地位的天然放射性物质是钾-40,它对维持正常的生理功能起着至关重要的作用。钾元素的原子序数为19,其天然同位素共有三种,分别是钾-39(丰度93.3%)、钾-40(丰度0.0117%)和钾-41(丰度6.7%)。

小编提示

  化学元素丰度是在测量上与所有元素相比较所得到含量多少的比值。

  丰度可以是质量(等同于重量)的比值或是摩尔数(气体的原子数量比值或是分子数量比值),或是容积上的比值。

  同位素是同一元素的不同种原子,它们具有相同的质子数,但中子数却不同。例如原子序数为1的氢就有三种同位素,分别是氕(H)、氘(D)、氚(T),它们的原子内都只有一个质子,但分别有 0、1、2 个中子。

图片来源:Google

  钾-40的原子核由19个质子和21个中子组成。每克钾-40含有1.507×10^22个原子,即等于阿伏加德罗常数6.022×10^23除以原子量39.964。钾-40原子核的半衰期为1.251×10^9年,因此其平均寿命为1.251×10^9/ln2=1.805×10^9年,或者5.692×10^16秒(每年按365天计算)。换句话说,平均每秒钟内大约会有1.757×10^(-17)个钾-40原子核发生衰变。

小编提示

  放射性元素的原子在释放 α、β、γ 射线的同时,会衰变成其它元素,这种衰变有一定的速率。当原子中有半数发生衰变时所需要的时间,叫半衰期。

  在自然界,只有 4 种主要的放射性元素和地球寿命差不多:

  铀-238:半衰期是45亿年

  铀-235:半衰期是7亿年

  钍-232:半衰期140亿年

  钾-40:半衰期12.5亿年

  通常来说,半衰期越短的放射性核素,其放射性也越强。

  钾-40原子核的放射性来自它的三种贝塔衰变(beta decay)过程,其中衰变为钙-40原子核(含有20个质子和20个中子)的概率为89.28%,同时放射出一个电子和一个电子型反中微子;通过电子俘获而衰变到氩-40原子核(含有18个质子和22个中子)的概率为10.72%,同时放射出一个电子型中微子和能量为1.46兆电子伏的伽玛射线(即光子);直接衰变到氩-40原子核的概率仅为0.001%,同时放射出一个正电子和一个电子型中微子。

  研究表明,一个体重为70公斤的成年男子体内大约含有160克的钾元素,其中钾-40的含量约为160×0.0117%=0.0187克,对应2.82×10^20个原子或原子核。从而可以算出,如此重量的男人体内平均每秒钟发生钾-40核裂变的次数约等于2.82×10^20×1.757×10(-17)≈4955。相应地,平均每天大约会有4.28亿个钾-40原子核在人体内衰变,释放出约3.8亿个反中微子、4.6千万个光子和4.3千个中微子。衰变过程中所产生的贝塔粒子(即电子或正电子)由于自由程太短,悉数被人体吸收;但大约半数的光子会逃逸出人体,后者所产生的辐射效应已经通过精细的实验被测量到了。

小编乱猜

  据说香蕉的钾含量很高,多吃香蕉会不会释放出更多的中微子?

  由于中微子和反中微子只参与弱相互作用,它们与原子核和电子的反应截面极其微小。因此人体内每天钾-40核裂变所产生的数亿个反中微子可以不受阻碍地以接近光速的速度离开,构成人们生活环境的微弱背景。目前还没有任何实验能够直接探测来自人体内部的幽灵粒子——反中微子。

更多相关内容,请点击访问:中国科学院高能物理研究所