19.4 相關素材高二年級 李春娟1.放射性的應用核能的和平利用除了以核動力的形式被廣泛應用于現代能源和艦艇船只的動力外，還可利用放射性核本身所發射的各種射線的能量。這是一切放射性核所具有的特性，雖然其能量和核裂變能相比是比較小的，但由于核科學技術的蓬勃發逐，放射性在科學技術上還是獲得了愈來愈廣泛的使用。而這些有用的不同能量、不同種類的射線都是從各種核素中放射出來的，所以放射性的應用也歸結為放射性核素的應用。放射性應用的形式可分成三種：第一，它可以作為新的科學研究工具(即示蹤原子)應用于各種學科。其中包括物理學、化學、生物學、醫學、地質學和考古學等；第二，放射性同位素所發射的射線和X 射線很相似，可以用來作為輻射源去透視各種X 射線不能透視的材料內部的特性和缺陷，并可以在大規模生產中，用作為自動檢查儀器及各種測量儀器等等；第三，它可作為核能源應用，如核電池。下面僅就某些方面的應用加以簡單介紹。首先，在考古學中，我們可以利用測定發掘物中碳14 放射性核素的含量，來確定它的年代。這是由于不論植物的品種和生長在何處，其新細胞組織中每一克碳內所包含的放射性碳原子核的數目都是相同的，即都等于750 億個。它們衰變時能放出粒子，其半衰期約為5730 年，即2 分鐘內有17 個碳14 核發生衰變。隨著弱射線測量方法的不斷改進，科學家們有辦法測量出它的放射性活度。當然，在大自然的循環過程中，植物中的碳14 隨同廢物一起進入動物的機體。這樣生長中的動植物，其中衰變掉的碳14 是由大氣中的二氧化碳所生成的新的碳14 來補充，所以每克組織中的碳14 的數目保持不變。但是死亡后的動物或植物其情況就不同了，此時來自大氣的放射性碳原子不再補充衰變掉的放射性碳原子，而死亡機體中的放射性碳原子數目是按其衰變規律減少，即約經5730 年下降一半，經11460 年減少到1/4依此類推，就能根據動植物殘骸中碳14 的含量來確定其死亡時間考古學家們就是用上述方法來確定各種出土文物、古遺址和具有考古價值遺物的年齡的例如，我國曾對出土越王勾踐劍進行過鑒定。當然，在測定含有動物或植物體所形成的許多碳化合物的巖石的年齡時，要求它們不能超過幾萬年因為如果在6 萬年前，即約經過10 個半衰期，這樣碳14 的放射性活度已下降到千分之一，測出它就很困難，實際上也是不可能的。同樣，可根據天然放射性核素的衰變規律，以及它在某種特定的公石中的含量，來確定化石的年齡從此也可以推算出形成礦床和地層的年齡，這比其它各種估計地殼年齡的方法能更精確地得到地質年代或陸地形成的年代，通常稱之為“地質鐘”，用這種方法可算知地殼的年齡約為40 億年。在地質學上的另一種應用是放射性勘探礦藏。在地質鉆孔探礦中，對于不同鉆孔深度的巖芯樣品分析原是件復雜而繁重的工作。而射線探礦就可以很快幫助地質學家們解決這個問題。對于那些含有放射性元素如鈾、釷、鉀等的礦層，可直接從放射性活度記錄儀器上反映出來。研究結果表明：粘土、頁巖、磷石灰巖等都有很強的放射性。而煤、砂巖、石灰巖(可能含有石油)，以及氣體等的放射性是很微弱的。由此可見從放射性的強弱大致上可發現石油礦層。放射性射線在現代工業的生產過程中也獲得了十分廣泛的應用。我們知道由于射線具有強的穿透性，特別是射線，它的穿透能力比醫學和工業上已用過的x 射線還要強許多倍。這樣，冶金和機械工業就用它來透視各種產品，以達到無損探傷的目的。常用的有鈷60射線探傷儀，這種射線能穿透30 厘米厚的鐵板。經過透視可方便地發現各種金屬制品中的缺陷，如零件中的裂紋或鑄件中的砂眼，特別能及時查出焊縫的質量。更方便的是用射線照相的方法，如在射線通過的路徑上有孔隙或裂紋，則射線將會暢通無阻，照相底版上就會呈現出黑色也可用計數器代替照相底版，從計數的強弱中可分析出金屬中有無缺陷。隨著中子的發現及其測量技術的發展，現代工業中往往用中子源代替源進行中子探傷或稱中子照像。由于這種方法具有更多的優點，因此近年來被更廣泛采用。此外，利用同樣的原理可對鋼板等各種板材的厚度進行自動測量，這種裝置稱為射線測厚儀。用它可以控制和保證其生產過程中板材厚度的均勻性當然也可對各種金屬鍍層厚度或涂在人造革、漆布和其它紡織品上的顏色、涂料的厚度進行測量；對鍋爐內的水位或其它容器內的液位高度也可進行測量，這種裝置稱為射線液位計；對高速旋轉的機器的轉速也可進行測量，被稱為射線測速儀等等。另外一個有意思的應用放射線核素的例子是可用它來檢查無法直接觀察的設備零件的磨損情況。當磨損情況嚴重時，放射性核素進入摩擦面，一起磨損被潤滑油帶走只要在潤滑油所經過的路徑上裝上記錄放射性的計數器，就能及時地發現油內的放射性元素，運行操作人員只要從儀表指示或訊號指示上就能很快發現。根據同樣的原理，可使輸送石油產品自動化。即在同一根管道中連續輸送兩種不同產品時，只要在中間注入一種含有放射性核素的制劑，使其與管道的閥門開關相互聯系，造成油門的自動轉換，就能達到自動輸送的目地。當然，同時也可做到放射性檢漏，只要把放射性檢漏儀放入油管中，如遇上漏油處它就能發出訊號指示出漏油的地方，可做到及時維修。毫無疑問，隨著核技術的不斷發展，它在現代工業上，特別是生產過程自動化的需要上，各種放射性同位素儀表將起著更大的作用。由于射線的電離本領能殺死各種細菌，所以可利用射線對罐頭食品、醫療用品進行消毒，它在食品工業、商業和貯藏保鮮食品等方面也獲得了廣泛應用。同樣，放射性同位素在農業生產中也得到了多方而的應用。例如，輻照育種以達到早熟增產的目的，經過三十多年的研究證明，輻照后的種子，其生長過程發生了許多變化，其中大多數變化干擾了它們正常生長而發生變異但是仍有一部分經過突變的生物體在某一方面得到了改善。至今，人們還不能控制或預測它們的變化。不過已有九種輻照良種在世界各地生產，在這些良種中，沒有一種理想的變化是直接來自處理過的種子，它們都是經過幾代的雜交育種和選種以后，才能獲得有用的新品種。除此以外，放射性核素示蹤劑還可用于合理施肥，即把放射性核素磷32 混入肥料，觀測其根部如何吸收營養，結果發現植物在生長前兩三個星期內，其體內5070的磷都是從肥料中得到的。另外發現肥料也可被植物的葉部吸收。像磷、氮、鉀這些元素從吸收部位運送上去和運送下來的速率，與由根部吸收后的運送速率是相同的。當然，在其它方向如家畜的飼養、種子、果品、蔬菜等貯存保鮮，以及防治各種病蟲害方面，射線也有很多應用，在此就不再一一例舉了。目前放射性核素在生物化學和生理學方面，己愈來愈廣泛地被用來研究機體內的新陳代謝作用等等。研究結果表明，人體中所需要的各種蛋白質、脂肪等基本物質在貯存過程中部不是“不變的”。它們根據人體活動的需要而隨時動用，不斷地進行物質的更新過程，也就是破壞和分解些舊物質，生成一些新物質是同時進行的。這樣就能對人體內的新陳代謝作用更為有效地抑制和調節，從而促進人的健康和長壽。另外，通過示蹤原子法對人體的血液循環出進行了研究，因為血液循環的速度能夠說明身體的健康狀況。一般是注入含有微量放射性鈉原子的食鹽水，并用能記錄鈉24 所放射的射線的計數器進行測量。結果表明健康成年人的血液循環一周的平均時間約為22 秒；212歲的小孩為11 秒，而6 周到2 歲的小孩只有7 秒鐘。由此也可在某些病癥的選藥上進行應用放射性核素。如果我們對患有高血壓病的人，測量其用藥前后的血液循環時間的變化，很快就能確定治療高血壓病的各種藥品的效果。此外，用標記紅血球的辦法，可證明人體中并不存在“血庫”的概念因為早先人們曾認為人體中的血液不是全部參加循環，而是有一部分血液積存在肝、脾和一部分肌肉內，即“血庫”。而人在進行體力勞動或機體處在氧氣稀薄的情況下(如高山或高空中)，“血庫”能把血壓出參加循環。但經用食有放射性磷32 的紅血球進行驗證，測得在劇烈運動或繁重的體力勞動后，人體血液中的紅血球量實際上并沒有增加。這就說明，沒有從“血庫”中取得任何補充血液。另外，測量在送入標記紅血球24 小時后同一人體的血液放射性的結果，發現完全相同沒有任何變化。由此也明顯地否定了“血庫”的說法。放射性核素在醫學上應用的另外一個重要方面是診斷和治療許多疑難病癥。最早應用的是放射性碘對人體的甲狀腺進行診斷。而且從甲狀腺活動的變化分析中得出，當患有高血壓、心臟病肺病等病癥時，甲狀腺的功能就失調減退，相反對皮膚病患者，甲狀腺功能亢進。一旦健康恢復，其功能亦恢復正常。由此可見，放射性碘不但能幫助診斷病癥，并能在治療過程中檢查健康的恢復情況。放射性核素對外科醫生的手術也有幫助。先把示蹤原子濃集于患者的病灶處(如甲狀腺或腫瘤)，這樣就能用計數器準確地定出開刀的位置，并能知道切除的干凈程度。許多醫療單位都設立了“核醫學科”“放射科”“放療科”，所以在醫學上采用放射性核素進行治療已起著特別重要的作用。其中尤其是對癌癥的綜合治療，一種是外部大劑量放射性輻照進行深部治療；另一種是內部注射療法。還有就是帶放射性核素的敷貼劑，它可直接貼在患處，對各種濕疹、牛皮癬等特別有效。其優點表現在只限于有病的皮膚，對其余健康的皮膚不起傷害作用；而且只照射皮膚的表層，對深部組織影響不大。例如在治療面部皮膚或粘膜性的某些癌癥時，溶液狀的放別性磷可直接引入腫瘤內部。一旦治愈后僅留下一塊不的瘢痕，能保持容貌上的美觀。過去外部照射的射線是用鐳，后來慢慢用鈷60 代替現在常用鈷炮照射治療各種疾病。隨著中子發現以后，利用它具有對生物組織的更大的破壞力來治療許多惡性腫瘤，也已取得不少成效。只要在腫瘤中注入某種(如硼10)能大量吸收中子的元素，中子被吸收后就能放出射線，它對腫瘤細胞起到殺傷作用，但對正常組織無任何危害。總之，核能和放射性核素在生物學和醫學上的應用將會給人們提供更大的可能性去解決人的健康和長壽的問題。至于放射性核素和各種射線，特別是中子活化技術等方面的應用將更有發展前途但不管怎樣，放射性同位素的獲得和廣泛應用是人類智慧的又一偉大創舉，它將為社會生產力的進一步發展和提高開闊了廣闊的前景。如果說十九世紀主要是蒸汽時代，那么二十世紀就是電子時代，并已經開始逐步走向核能時代。巨大的核能必將為人類的進步和文明做出應有的貢獻。2.放射性消毒利用放射性同位素發出的射線徹底滅菌，是射線殺傷力的一種最直接的利用這也是大家最容易想到的一種射線應用。尤其是人們經常利用射線對醫療器械進行滅菌消毒這是另一種典型的以毒攻毒的方法。早期對手術時縫合傷口用的縫線、腸壁縫合線進行消毒。這些縫合線是膠質物，用牛、羊的骨膠或皮膠制成，手術后縫在體內慢慢被消化吸收，不需要拆線這些原料的來源和本身的性能使得這些縫線容易沾染細菌，再說，它們本身就是蛋白質，不能利用加熱的辦法來消毒因此，這種縫線常常會引起感染事故。所以，對耐熱性差而又必須滅菌消毒的這類物品，利用射線進行消毒是非常合適的。后來，隨著石油化學的發展，塑料制的一次性（用過一次就扔的）醫療器具逐漸增多。因為它具有如下一些優點：可以防止在醫院內部引起交叉感染、使用方便、節省人力等。對這些醫療器械的消毒，過去一直采用氣體消毒法。可用高溫蒸汽，或者利用環氧乙烷氣體來進行，但對塑料制品來說，這種消毒法也是不能用的了。現在，采用射線滅菌法進行消毒的物品迅速增加。據說，目前約有近30的包裝型醫療用具是利用射線進行滅菌消毒的。平時，人們經常能看到用一次就扔掉的注射器只要把包裝用的聚乙烯塑料袋剪開，取出注射器即可扎入胳膊進行注射。像這樣，把注射器裝進塑料袋后，連同包裝一起直接進行消毒，只有輻射滅菌消毒法才具備這種方便的特點除了注射器和手術用的縫合線可以利用射線進行滅菌消毒以外，還有一些物品，例如插入支氣管用的探針導管、手術用的橡皮手套、取血用的采血板、放入子宮的避孕環、人工腎臟透視器等等，也都采用射線消毒技術。此外，無菌實驗動物的飼料也可以采用射線進行滅菌消毒。各個國家應用射線消毒的情況也是多種多樣的例如在印度，盤尼西林，四環素等醫藥品的消毒是采用射線滅菌法。而俄羅斯，甚至認為塑料制的醫療用品、疫苗、血清等等，只有利用射線滅菌消毒法才是唯一可靠、適用的消毒方法。消毒設施的基本原理很簡單：里面裝有強度很大的鈷-60 放射源，其周圍裝有傳送帶裝置；靠著傳送帶的不斷移動，需要消毒的物品緩慢通過鈷-60 源的旁邊，就可以達到滅菌的目的。3.揭開光合作用的奧秘淀粉、蛋白質、脂肪等是人類生存所必需的食糧，而植物正是制造這些食糧的天然工廠。大家都知道：所謂光合作用，就是依靠太陽提供給地球的能量，通過植物的葉綠素使空氣中的二氧化碳氣體和植物根部吸收的水分、無機鹽等進行合成，從而為人類提供了巨大的糧食資源它是在低溫條件下進行的，這在試管里是無論如何不能做到的。這個自然之謎，真是自然界中不可思議的問題之一！而放射性標記化合物放射性同位素示蹤劑技術的利用，對于揭開這個自然之謎起著極為重要的作用。在光合作用的過程中，最初形成的基本化合物的最小單位是一由三個碳原子組成的，叫做C3 植物。后來，又發現了基本單位是四個碳的植物，叫做C4 植物，以區別于C3 植物應該說，C3、C4 植物是光合作用的最基本的產物有關這些基本產物的知識，是在利用二氧化碳-14（14CO2）作為示蹤劑之后才被人們所了解的二氧化碳-14 中的碳-14 是碳的一個放射性同位素此外，有些植物具有非常巧妙的機能-在夜間，不斷地吸收二氧化碳，到了白晝，就在葉子中進行光合作用。這一現象也是利用二氧化碳-14 進行研究后才發現的。利用示蹤劑二氧化碳-14 還可以研究有關植物呼吸的詳細情況。例如，由于晝夜之間的差別，植物的呼吸情況有什么不同？呼吸對光合作用有什么影響？不同植物之間，呼吸有什么差異等等。此外，由光合作用產生的淀粉、蛋白質、脂肪等各種物質，在植物體內是怎么樣運動、轉移的？又是怎么樣積累并貯存到各種不同的“倉庫”里去的？這些“倉庫”包括果實（像稻米、小麥）、 莖（像土豆）、根塊（像甘薯）等所有這些自然界的巧妙安排和行為，也都是在利用示蹤劑-二氧化碳-14 進行研究之后才得以解釋清楚目前，除了碳-14 以外，還可配合使用其它的放射性同位素，如磷-32、氫-3 等作示蹤劑，從而使一些研究工作能夠做得更加細致周密。還有一些工作，如除草劑的研究、家畜或雞飼料中養分的傳送方式的研究以及各種昆蟲的生態方面的研究等等，都離不開使用示蹤劑的方法。正是因為有了示蹤劑技術，才為各種精密的研究開辟了新的道路，促進了各方面研究工作的開展。4.棉花育種“魯棉一號”就是山東省棉花研究所的科技人員應用放射性同位素鈷-60 放出的伽瑪射線處理棉花雜交的后代育成的。起初，為了育成適合生態條件并且高產優質的棉花良種，他們于1961 年用雜交育種的方法，選配一些組合。但是經過多年的分離選擇，并沒有獲得符合理想的后代其中有一個雜交組合，母本是中棉所2 號，父本是“1195”（選育的一個品系），這就是“魯棉一號”的“始祖”。它雖然結合性較好，但到了第九代仍然性狀不穩定，而且株型高大松散。這時，他們決定應用輻射育種新技術，希望將它的性狀引向好的方面發展，并且穩定下來。1971 年，他們將中棉所2 號與1195 雜交第九代種子用鈷-60 輻照40000 倫琴（輻照量的單位），根據輻射育種的規律，照射第一代因受射線損傷的作用，生長很不好，有的還出現畸形。但這些都不能遺傳給后代。一般從第二代開始，突變的性狀才能逐漸顯現出來。他們把第一代中生長正常的棉株混收留種，第二年把這些種子單獨播種在一塊地里，并在收獲時進行單株選擇。入選的單株單收單脫粒，成為一個株系。第三年將這些株系，按系播種，每系種一行，這叫株行圃。在生長期間，直至收獲之時，都對每一個株系進行比較，然后選出一批株系。其中以第99 號株系表現最為突出，不僅株形緊湊，生長穩健，而且結合性強，吐絮集中，同時性狀也不再分離收獲時將這些入選的株系，全都收在一起，并分別脫粒留種，準備進入鑒定試驗這好像小學生參加了升學考試，成績優秀的可以升入中學。經過幾年試驗，1975 年育成，1976 年定名為“魯棉一號”。開始全省區域試驗時，他們采用育苗移栽，點播分墩等方法高倍繁殖種子，并進行多點試驗示范，將該品種迅速傳播到全省棉區河南、河北等省區也進行了引種。5.同位素的三個特性在形形色色的原子能圖象中，放射性同位素的奇妙特性及廣泛用途令人眼花繚亂，最具有戲劇性。前面我們介紹過，1869 年，俄國的門捷列夫和德國的邁耶各自獨立地發現了元素周期律，排出了元素周期表，那時化學家們知道的元素只有幾十種。現在，已經發現的元素已經達到100 多種，目前的元素周期表已經比當年門捷列夫列出的元素周期表要詳盡多了在元素周期表中，一個元素占一個位置。后來，科學家又進一步發現，同一位元素的原子并不完全一樣，有的原子重些，有的原子輕些；有的原子很穩定，不會變，有的原子有放射性，會變化，衰變后成了另一種元素的原子我們把這些處于同一位的元素但有不同性質的原子稱為同位素同位素中有的會放出射線，因此稱放射性同位素放射性