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人能手接高速原子吗?

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高能粒子对于人体组织的透穿能力其实是空间探索学科中的一个热门话题,它还有个专业的描述方式叫,透穿深度剂量(Percentage depth-dose,PDD)

不是你想的那个PDD

它描述对于类人体组织,高能粒子穿透到不同深度的数密度分布。研究方式是实验和模拟,去看高能粒子能不能透穿到伤及内脏的地步。


Ann 2014 Biological Effects of Space Radiation and Development of Effective Countermeasures

所以显而易见——

人是可以手接高速原子的!

但是会有内伤!!

因为在宇宙里没有大气层和磁层保护就是会有各种高能射线,包括高能粒子和高能电磁辐射。所以为了保护英勇的空间探索的航天员们才有了这个学科。

为了了解高能粒子粒子透穿能力的概念性,可以看一下这一张图:


这图说的是几种能量的质子,可以透穿到什么深度。

可以看到不同能量的粒子有不同的PDD分布。一个比较明显的特征就是,注入粒子的能量越大穿透性越强,~10MeV量级的高能粒子,能穿透皮肤软组织。只有40MeV 的粒子无法穿透颅骨,超过150MeV的粒子可以透穿整个头。另外一个规律就是特定能量的质子束流的PDD都有个吸收峰,所有粒子基本都沉降在吸收峰之前。

从这个简单的模拟可以看出来:

想要有99%的把握“抓住”150MeV能量的粒子,需要15cm的类人体组织


掐指一算

我胖乎乎的手

展平手掌

如果质子束粒子沿着手指方向入射的话

我是可以“抓住”质子的!

但是质子沿着掌心入射的话,就无法保证大部分质子沉降在组织内。

但是,从图中也可以看到,不管能量是高是低,在0附近的PDD密度分布也不是0,所以质子在即使是穿过很薄的一个薄层,受到能量很大的粒子的轰击也会有粒子沉积的概率。也就是说即使是非常接近光速的高能粒子0.99999c那种,也是有一定概率被手掌“抓住”。

稍微一算:质子的净质能是984MeV,简单算一下所以50MeV的质子大概是0.3倍光速,150MeV的质子大概是0.5倍光速,算是亚相对论性粒子。

经过上面的讨论,一个非常显而易见的结论是:

高能粒子可以轻而易举“注入”人体组织

甚至穿透

这种高能粒子的辐照,在一些时候,有可能是对人体有害甚至是致命的。因为这些高能射线所携带的能量可以轻而易举地破坏DNA结构,从而导致一系列其他后果。


在地面上,地球有磁层和大气层保护,高能带电粒子和X射电无法到达地面。但是在空间探索项目中,英勇的宇航员要进行太空行走,离开太空舱的时候,就相当于沐浴在来自太阳和宇宙射线里。

这个时候就需要研究,如何做防护,对于宇航员来说才是安全的。

这里有一张宇宙射线对于宇航员的潜在危害示意图:


里面标记了宇航员在受到宇宙射线辐射之后可能产生的后果,包含:白内障,神经衰弱,主要脏器癌症,皮肤问题,骨质下降,生殖系统问题,循环系统衰退等等。

剧烈可怕。。。

所以在把人送上去之前搞清楚高能粒子剂量对人安全不安全非常重要。

NASA有一个“人类研究项目”

(Human Research Program ,HRP)专门研究在高能粒子流环境复杂的太空里的辐射剂量以及防护措施。主要研究内容如下图:


包含:

太阳活动变化,防护盾的设计,寻找合适的风险评估方式,个体易感人群鉴定,药物防治辐射,运动恢复。

诶,真的

人类能走进太空真不容易

致敬从事航天研究的一线工作人员和航天员们!

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参考文献:

[1]Ann 2014 Biological Effects of Space Radiation and Development of Effective Countermeasures

[2]Sayyed et al 2014 Evaluation of energy deposition and secondary particle production in proton therapy of brain using a slab head phantom

[3]Jeffery et al 2014 Space Radiation: The Number One Risk to Astronaut Health beyond Low Earth Orbit

[4]NASA reports 2018 Health Effects from Space Radiation

撰稿:张沛锦

美编:麦李婷


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