放射性同位素在能源,农业,医疗,考古的作用

放射性同位素在能源,农业,医疗,考古的作用

放射性同位素的应用及发展
作者：未知 文章来源：河北省环境保护局网站 点击数：254 更新时间：2005-10-26
在元素周期表中,一个元素占据一个位置.后来,科学家又进一步发现,同一位元素的原子并不完全一样,有的原子重些,有的原子轻些；有的原子很稳定,不会变,有的原子有放射性,会变化,衰变后成了另一种元素的原子.我们把这些处于同一位的元素但有不同性质的原子称为同位素.同位素中有的会放出射线,因此称放射性同位素.放射性同位素具有以下三个特性：
第一,能放出各种不同的射线.有的放出α射线,有的放出β射线,有的放出γ射线或者同时放出其中的两种射线.还有中子射线.其中,α射线是一束α粒子流,带正电荷,β射线就是电子流,带有负电荷.
第二,放出的射线由不同原子核本身决定.例如钴－60原子核每次发生衰变时,都要放射出三个粒子：一个β粒子和两个光子,钴－60最终变成了稳定的镍－60.
第三,具有一定的寿命.人们将开始存在的放射性同位素的原子核数目减少到一半时所需的时间,称为半衰期.例如钴－60的半衰期大约是5年.
放射性同位素有三个主要来源——加速器中带电粒子的产物,反应堆中的中子轰击产物和分离出的裂变产物.使用放射性同位素的主要优点是可以通过测定它们发射的粒子和鉴定其特有的半衰期和辐射性质,探测它们的存在.放射性同位素在能源、工业、农业、医疗、环境、考古等诸多方面都有着广泛的应用.
示踪技术
示踪方法是引入少量放射性同位素,并随时观察其行踪的方法.例如在肥料中掺入少量的放射性磷-32（半衰期为14.28天,发射1.7兆电子伏的β粒子）,可以找到给植物施磷肥的最好方法.用探测或照相胶片测量辐射随时间的变化及其在植物中的位置,就能得到磷的摄入率和累积率的准确资料.同样,给人体注射无害的放射性钠-24（半衰期15.03小时）溶液,可以进行人体血液循环的示踪实验.为了医学诊断的目的,希望引入足够的放射性物质以便提供所需要的数据,但是放射性物质不能达到有害于人体的程度.
再如,监视掺合了放射性同位素流体的行踪可以确定许多种物质的流速,如人体中的血液,输油管中的石油或排入江河中的污水等.利用示踪技术还可以对生物体内的农药形式进行分析,研究农药施用后发生的变化及其在生态系统中运动的规律.
有关光合作用的基本产物的知识,也是在利用二氧化碳-14（14CO2）作为示踪剂之后才被人们所了解的.二氧化碳-14中的碳-14是碳的一个放射性同位素.此外,有些植物具有非常巧妙的机能--在夜间,不断地吸收二氧化碳,到了白昼,就在叶子中进行光合作用.这一现象也是利用二氧化碳-14进行研究后才发现的.
利用示踪剂二氧化碳-14还可以研究有关植物呼吸的详细情况.例如,由于昼夜之间的差别,植物的呼吸情况有什么不同?呼吸对光合作用有什么影响?不同植物之间,呼吸有什么差异等等.
此外,由光合作用产生的淀粉、蛋白质、脂肪等各种物质,在植物体内是怎么样运动、转移的?又是怎么样积累并贮存到各种不同的“仓库”里去的?这些“仓库”包括果实（像稻米、小麦）、 茎（像土豆）、根块（像甘薯）等.所有这些自然界的巧妙安排和行为,也都是在利用示踪剂--二氧化碳-14进行研究之后才得以解释清楚.目前,除了碳-14以外,还可配合使用其它的放射性同位素,如磷-32、氢-3等作示踪剂,从而使一些研究工作能够做得更加细致周密.
还有一些工作,如除草剂的研究、家畜或鸡饲料中养分的传送方式的研究以及各种昆虫的生态方面的研究等等,都离不开使用示踪剂的方法.正是因为有了示踪剂技术,才为各种精密的研究开辟了新的道路,促进了各方面研究工作的开展.
中子活化分析
活化分析是一种揭示微量杂质的存在及其数量的分析方法.用中子（如反应堆中子）辐照可能含有某种痕量元素的材料样品,不同的原子核吃掉慢中子后产生的放射性同位素会进行完全不同的核衰变,通过测量其发射的β或γ射线的特有能量和强度,就能得到有关杂质的含量.即使是肉眼看不见的像尘埃那么大小的物料,只要放到反应堆里照射一下,就能定量地测定出其中所包含的许多种微量元素.
这种测定方法用途广泛.例如,调查直升飞机喷洒农药的分散效果.农药散布到稻田以后,从各个不同部位采集稻秧,放到反应堆中照射,经过活化分析,便可测出微量农药的放射性.从而可以知道每颗稻秧上粘附的农药量.根据这些测定数据可以绘制出农药散布量的分布图.
为了调查由工厂排出的煤烟或废水引起的公害,也常常离不开使用活化分析.例如,对大气中的微量尘埃取样,进行活化分析,就能获得很多有关大气的情报.如尘埃中含有哪些元素?每种元素的含量是多少.也可以查清城市废物焚烧炉、各种锅炉、钢铁厂的冶炼电炉等不同污染源与环境污染的关系等等.另外,活化分析也可以研究煤烟或废水是如何扩散的?
活化分析技术应用于侦破化学,也是很有成效的.通常,刚打过手枪的罪犯,在衣服袖口和前胸等部位总是附着一些硝烟痕迹.从嫌疑犯的衣服上剪下一小片,放到反应堆中接受照射,进行活化分析.于是,硝烟中的各种微量元素,比如锑、钡等等便可以清清楚楚地显示出来.然后,把这些数据与被害者身上测到的数据进行对照,就能弄清两者是否相同.从而可以拿出罪犯料想不到的铁证.
此外,对于罪犯留在作案现场的毛发,也常常要透过活化分析来进行调查研究.比如,某小汽车后面的行李箱内所发现的头发是不是被害者的,便可透过活化分析来判断.在这里不必再举拿破仑遗发的例子,因为原理一样,把收集到的毛发放到反应堆中照射,进行活化分析,测出其中的微量元素,根据这些测定数据就能判断甲、乙或者其它某人是否与案件有关.
在侦破化学中,活化分析还可用来搜查兴奋剂和麻醉毒品.透过对兴奋剂进行活化分析,测定出表示各种合成方法特征的微量药品,然后根据这些微量药品的混入情况就能鉴别兴奋剂的制造方法.再如,从世界各地来的大麻或鸦片之类的毒品中,含有铈（Ce）、镧（La）、钕（Nd）等等不同的微量稀土元素,透过活化分析测出这些元素的含量,就能了解这些毒品的产地.从而可以查清毒品是否相同,与贩私组织有什么联系等等的问题.
此外,如能配备中子发生器,放到深海底部,就可用于探查海底物质；也可以用来测定古代货币或青铜镜等古代文物与考古学史料等等.据说,为了辨明一幅关于猫的画是否是日本名画家藤田嗣治的名作,就是利用了活化分析的方法.将画放到反应堆接受照射,很快就揭下了假面具.因为分析结果显示出较多的银含量,证明这是一幅巧妙的伪造作品,是透过照片复制而成的.
引发物种变异
应用原子反应堆产生的热中子或加速器产生的快中子,以及放射性同位素放出的射线都可以使生物细胞内遗传物质的结构发生改变,因而引起生物形形色色的性状突变.放射性同位素的这种性质可以为我们：
1. 辐射育种
随着科学技术的发展,人们已不再单纯地利用植物本身自然产生的变异,而是能够应用现代科学的成就来人工创造新的变异类型,这种方法叫“人工引变”.大体说来,应用人工引变诱发的有利突变可以有千分之一的机率,而自然产生的突变只有百万分之一的机率,人工引变可以提高突变率一千倍.但是到目前为止,人们还不能控制变异的方向.我们必须在各种变异的后代中,进行认真仔细的选择,才能育成符合我们所期望的良种.这种应用射线引变选育良种的方法叫做“辐射育种”.它是继“系统选种”,“杂交育种”之后而兴起的一种新的育种方法.
2.辐射灭虫
大量的辐照也可以使某些害虫发生变异.例如：螺旋蝇的幼虫在经过一定辐射后,就会丧失生育能力.然后,让这些绝育的螺旋蝇与虫灾地区的螺旋蝇进行交配,可让交配后的雌虫再也不会产卵繁殖了.这样,经过大约一年半的时间,就可以使这种蝇灭绝.这种消灭害虫的作战方法叫做“辐射绝育法”,也叫“雄性不育法”.
利用辐射杀伤力
1.食品保鲜
就是利用放射性同位素或低能加速器放出的射线对食品进行辐射处理,达到长期保藏食品的目的.放射线有一些特殊的本领.它具有较高的能量,穿透物质的能力强.一定剂量的照射,能杀死寄生在食品表面及内部的微生物和害虫.适当剂量的照射,能抑制农畜产品的生命活动.这就从根本上消除了食品霉烂变质的根源.
辐照保鲜是一项发展极快的食品保藏新技术.研究结果表明辐照食品对人体没有任何不良影响,可以供人食用,安全可靠.
2.辐照灭菌
利用放射性同位素发出的射线彻底灭菌,是射线杀伤力的一种最直接的利用.尤其是人们经常利用射线对医疗器械进行灭菌消毒.如：手术时缝合伤口用的缝线、肠壁缝合线；一次性注射器；插入支气管用的探针导管、手术用的橡皮手套、取血用的采血板、放入子宫的避孕环、人工肾脏透视器等等,也都采用射线消毒技术.
各个国家应用射线消毒的情况也是多种多样的.例如在印度,盘尼西林,四环素等医药品的消毒是采用射线灭菌法.而俄罗斯,甚至认为塑料制的医疗用品、疫苗、血清等等,只有利用射线灭菌消毒法才是唯一可靠、适用的消毒方法.
另外,辐射灭菌也可用于污水处理中.通常,污水是采用“活性污泥法”进行处理的.由此产生的沉积物、淤渣泥浆也是十分讨厌的,需要进一步处理.由于污泥浆本身含有很多磷、氮等元素,所以可作优质肥料使用.但另一方面,人们也担心在污泥中隐藏了各种各样的细菌.因此,先要用钴-60的伽玛射线对污泥进行辐照灭菌.
治疗癌症
癌症,过去一直被看作不治之症,但是,现在情况有了改变,人们能够进行早期诊断,辅之以早期治疗,因而大大增加了癌症能够被治愈的希望.根据医学辞典的解释,治疗癌症最有效的手段之一就是放射治疗.对于内脏器官上的癌,以手术切除为主,照射为辅.但是有一些癌症表面上看来范围很小,却有可能潜藏着已经发生转移的癌细胞；一旦有癌细胞残留下来,即使是很少的一点,也有可能引起癌症的复发.所以,手术的面积要大些,手术后再用射线进行照射,以杀死残余的癌细胞,根除癌症.
随着射线疗法的不断发展,有很多癌症病例采用射线疗法要比手术治疗效果更好.而且,有些癌症如用手术治疗已经为时过晚,对于这些患者,可以寄希望于射线疗法.要是在过去,不能进行手术就意味着绝望；显然,今天的情况与过去大不一样了.
近年来,利用加速器治病获得很大发展.因为加速器产生的射线具有相当高的能量,有一定的穿透能力.如X射线、γ射线、电子束、质子束、中子束、介子束等,都能穿过人体皮肤和组织,到达肿瘤.大体上说,中子辐照时对癌细胞的杀伤力最强.
为什么射线疗法能够用于治疗癌症呢?那是因为,细胞分裂越是活跃的组织,它对射线的耐受能力就越弱.因此,像癌细胞那样,不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织,在射线进行照射时,对它的杀伤力就显得特别大.那正是射线疗法的目标,是人们所希望的.当然,对于正常的细胞,如果采用大剂量射线进行辐照,也会受到损伤.但是,只要对准癌细胞的巢穴,用适度的射线剂量进行适当的照射,可以做到只杀死癌细胞,而对其周围的正常组织不会造成伤害或少受伤害.
考古应用
宇宙空间一直在不断地向我们的地球发射各种各样的射线,这种射线叫做宇宙射线.其中有一种射线叫做中子射线.这些中子和大气中的氮原子核发生碰撞,打出质子.同时产生出一种新的核素--碳-l4,它是碳原子的放射性同位素.结果,在地球的大气中,碳-l4的含量不断地增加.
但是,正如前面所说,放射性同位素是有一定寿命的,它会不断地发生放射性衰变.碳-l4的半衰期是5568年.就是说,每隔5568年,碳-l4的含量注定要减少一半.这样,碳-l4不断地产生,同时又不断地死亡,结果使大气中的放射性碳-l4浓度达到一定的平衡值.
大家都知道,地球上的植物都要摄取以二氧化碳形式存在的碳元素,才得以不断地同化、生长、繁殖下去.而地球上的动物又是靠着食取植物而生存的.因此,毫无疑问,地球上生长着的动植物体内所含的碳元素中,放射性碳-l4的浓度必然也是达到一定的平衡值.透过测定知道地球上的生物活体中所含的碳-l4浓度为16ppm.这就是说,每一吨普通碳元素中含有的碳-14为16克.
然而,当动植物体死亡以后,体内碳-l4的浓度就要发生变化.因为它与外界的交换完全隔绝,不再摄取二氧化碳气体,也就不会再增加新的碳-14.相反,从这时起,生物体内原先含有的碳-14的浓度却要按照5568年的半衰期一半、一半地不断减少下去.就是说,“历史时钟”的定时器这时已经拨好了.这样,透过测定碳-l4的浓度就可以进行多种多样的测定工作.比如,远古时代的木材、人体遗骨年代的测定,动植物化石或煤炭的年代测定等等.此外,古代发生的巨大地质变化,例如火山爆发、大地震或山洪爆发等自然现象究竟是什么时代发生的?只需要找到当时被埋没的树木等遗骸,透过类似的测定,就可以获得准确的结论.由于碳-l4的半衰期是5568年,所以,上述方法适合于测定五百年以前到三万年以内的这一段时间.例如我国对楼兰女尸、罗布泊纸的年代鉴定等就是采用的碳-l4.可见,碳-l4对于测定人类历史的年代,是再好不过的时钟.
安全卫士
1.离子感烟报警
小小火焰,由于没有及早发现,引起一场大火,结果烧毁房屋财产,造成人身伤亡.许多年来,人们一直在探求火灾报警的方法,以求灾祸在萌芽时就被发现.人们利用火焰燃烧时的各种特性,巳经发明了多种火灾报警装置.例如,利用火焰中含有太阳光中没有的某种紫外光波长制成的感光报警仪器；利用火焰燃烧能使环境温度升高制成的感温报警器；利用可见烟粒能遮光的特性制成的光电感烟报警器等.
但如何探测不可见的烟粒,以达到更早期报警的目的呢?这就要借助于放射性同位素了.
放射性同位素的原子核在无外界作用下能自发地发生衰变,变成另一种原子核,同时放出α射线、β射线或γ射线等.前两种射线都带电,并且具有较高的能量,所以当他们从放射性同位素的原子核内射出,透过空气时,能将空气电离成正负离子而逐渐消耗自身的能量.
由于烟雾进入电离空间时,吸附了某些离子,使离子迁移速度明显变慢.据此,就可以做成离子感烟探头.离子感烟探头与控制电器装置相配合,构成了火灾自动报警仪器.由于灵敏可靠,造价不高,目前国内外已大批生产各种型号的离子感烟报警仪,广泛地用于宾馆、仓库、图书馆、通讯中心、电视台、轮船甚至家庭,成为火灾报警最普遍采用的仪器.尤其是随着高层建筑的发展,对消防设计提出了更高的要求.目前离子感烟探头及用其它原理制成的各种火灾探测器已能与计算器系统相联,不仅能自动报警,而且能自动灭火,自动切断空调系统及控制电梯降落等等.
既然离子感烟探测器感测对象是颗粒极微小的烟雾,那么,不仅可以用它来作火灾报警,而且可以报警各种可能产生烟雾的灾祸,例如可以做成某些毒气的探测报警装置等.
2. 放射性同位素避雷针
闪电是天空中的放电现象,它的瞬时能量很大.被闪电击中的地方,会使所触及的树木房舍炸裂起火,就像命中一枚炸弹一般.如何躲避雷电的袭击呢?
快捷方式人人爱走,电也是这样,要走电阻最小的通路.避雷针就是竖立在建筑物最高处的一根与地相通的金属杆.杆的上端是尖的,尖端容易放电,形成电阻小的通路.云中的电荷可经避雷针入地,建筑物即可免受雷击.
放射性同位素避雷针的避雷原理与普通避雷针的原理是一样的.所不同的是前者依靠放射性同位素发射的射线使避雷针附近的空气大量地电离,主动地打开一条与云中电荷相通的电的通路；而普通避雷针的尖端只能产生少量的离子.
放射性同位素避雷针所产生的电离电流要比普通避雷针高10000倍以上,再加上加速装置的作用还可以提高很多.它能及早放电,使保护区内无闪电产生.还可降低保护区外的电位.保护范围也大得多.用作避雷针