放射性同位素及辐射技术

放射性同位素及辐射技术1、奇特的同位素2、同位素的三个特性3、放射性同位素使用技术4、2、工业上的应用5、检测6、放射性废物的利用7、辐射技术的应用8、改进材料性能9、3、农业中的应用10、引发种子的变异11、棉花育种12、辐射引变13、根茎叶的侦察兵14、用示踪法观察作物生长15、监测农药无公害16、揭开光合作用的奥秘17、食品保鲜18、请放心食用辐照食品19、辐照灭菌20、使害虫断子绝孙21、4、医学上的应用22、核医学23、医学跟踪24、各种放射分析25、同位素造影术26、金-198肝扫描27、放射治癌28、伽玛刀29、放射性消毒30、5、考古辨伪侦察31、碳-14考古年代32、核技术对中国历史学的贡献33、三星堆－另一支史前文化？34、耶稣基督“裹尸布”的传说35、拿破仑死亡之谜36、古老的照片复活37、微量元素的定性及定量测定38、高超的侦破技术39、6、保护环境安全40、分析环境污染情况41、对火灾及毒气报警42、不灭的长明灯43、同位素避雷针44、避雷功能更为强大同位素的三个特性在形形色色的原子能图象中，放射性同位素的奇妙特性及广泛用途令人眼花缭乱，最具有戏剧性。

前面我们介绍过，1869年，俄国的门捷列夫和德国的迈耶各自独立地发现了元素周期律，排出了元素周期表，那时化学家们知道的元素只有几十种。

现在，已经发现的元素已经达到100多种，目前的元素周期表已经比当年门捷列夫列出的元素周期表要详尽多了。

在元素周期表中，一个元素占一个位置。

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。

核技术中的同位素和辐射的应用，给许多重要的经济活动和社会生活带来好处。

现代核物理学的研究成果，产生了一些观察和测量物理、化学和生物过程的新方法，从而加强了对这些未知过程的了解，这对于人类对自己的认识和生存、发展与进步有重要的意义，与此同时，同位素的分离和鉴别使我们掌握了多方面的技能，带动了电子学、光学和机器制造技术的发展。

构成物质的各种元素的同位素都是可以识别的，人们可以根据其质量或放射性对它跟踪，尽管它的化学性质与该元素的其它同位素一样。

因此测量这种元素或其化合物的总量并跟踪其运动及反应都是可以做到的。

这就给它带来了特别的功能。

考虑到可利用的稳定同位素、放射性同位素有数千种（此可参见有关的核素表即同位素表），又有许多其中过程的细节尚待进一步研究的领域，我们仅能比较稳定核素和放射性核素的特点，评述某些特殊技术，介绍一些有趣的和重要的同位素应用。

大多数同位素都是稳定同位素，并呈混合物状态出现在元素中。

按照同位素质量进行分离的主要方法有电磁法（在大型质谱仪中）和热机械法（气体扩散过程中）。

重要的例子是在生物过程中所包含的各种元素的同位素，例如D（氘）和氧-18。

稳定同位素的主要优点是在研究用的样品中不存在辐射效应。

而可利用的放射性同位素很多，它们具有各种不同的半衰期、辐射类型和能量。

放射性同位素使用技术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，故很容易探测它们的存在。

下面我们介绍几种使用放射性同位素的技术，并说明其用途。

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。

各种各样的流体，如人体中的血液，输油管中的石油或排入江河中的污水，在概念上都是相同的。

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，产物放射性同位素发射的β射线有特有的能量和相对强度，类似于发光气体的光谱线。

为了进行比较，要使用标准样品的数据，通过测量和解释γ射线谱，从而得到有关杂质的含量。

活化分析法的原理是这样的：将被测物质放入反应堆中，接受中子的照射。

许多原子核具有吞吃中子的性质。

就是说，它们一旦碰上慢中子，就会把慢中子吸收掉。

新生成的产物就是放射性同位素。

比如，原来的原子核如果是钠-23，吸收一个中子就会变成新的放射性同位素钠-24；如果是钙-40，它吸收一个中子就变成钙-41；如果是磷-31；它吸收一个中子就变成磷-32；如果是砷-75，它吸收一个中子就变成砷-76，等等。

由于原子核吞吃了一个中子，所以，它不可能保持不变，它会放出β射线或γ射线。

也就是说，它自身要发生衰变，即所谓的放射性衰变。

衰变时放出的射线，能量各不相同，其能量的高低取决于放射性同位素的种类。

而且，放射性衰变的速度也各不相同。

比如，钠-24，它会放出两支γ射线，能量分别为1.4和2.7兆电子伏特；还放出一支β射线，能量为1.4兆电子伏特，最后变成镁-24。

钠-24的半衰期是15.03小时。

如果是磷-32；它会放出1.7兆电子伏特β射线，变成磷-32。

磷-32的半衰期是14.28天。

如果是砷-76，它会放出能量确定的三四种β射线和三四种γ射线，而变成硒，其中主要的β射线能量为2.9兆电子伏特，主要的γ射线能量为0.5电子伏特；砷-76的半衰期是26小时……。

不同的放射性同位素具有完全不同的核衰变类型。

而各种原子核的衰变类型都已调查清楚，每一种衰变类型代表对应的一种放射性同位素。

检测材料的某些物理性质用一般的方法很难搞清楚，但是通过观察辐射和物质的相互作用可以很容易的进行测量。

例如，测量放射源放出的粒子透过塑料薄膜或纸张之后的粒子数量就能确定薄膜或纸的厚度。

从裂变产物分离出来的同位素锶-90（半衰期28.82年，粒子能量0.546兆电子伏）和铯-137（半衰期30.17年，粒子能量0.512兆电子伏）广泛的用于这样的检测之中。

用探测射线通过物质的方法在外部可以测定管道里流动的液体的密度。

管道中的液体起辐射“屏蔽”作用，因为衰减与粒子密度有关。

没有窥视镜或电接触点也不难测出不透明容器中液体的液位。

把一个放射源缚在浮子上，让浮子漂在液面上。

探测器在容器外面探测放射源的辐射。

通过研究被氢慢化的中子可以估计土壤中的含水量。

在中子水分测量仪中，由一个混合的粒子发射体组成的放射源通过（α,n）反应产生中子。

中子通量可以为测量含水量提供数据。

有几种核技术已用于石油工业中。

在油井探测中，“测井”过程包括地质特征的研究。

有一种方法是测量天然辐射。

当把探测器从天然放射性岩石区移到含石油或其他液体区时，信号减少。

也可以用中子水分测量仪测量石油的存在，因为石油中含有氢。

把中子源和射线探测器放到油井中，可以对化学成分进行中子活化分析。

放射性废物的利用生产核能中产生的的各种同位素，是有害的废物，但也是能给人类提供安全保障的有用之物。

例如氪-85（半衰期10.7年）的应用，它是核燃料.后处理过程中的一种丰富的副产品。

该同位素可作为机场跑道和煤矿照明用的自发光源中的激活成分。

这种光源由一个密封的氪-85气体辐照盒构成，氪-85气体和荧光体接触，荧光体被低能电子激发。

发光的颜色决定于所用的荧光体，亮度取决于同位素氪-85的总量。

这种光源类似于用氪辐照盒代替了灯泡的汽车前灯。

其优点是寿命长，不要有能源，与天气条件无关。

使用氪-85“束流断路器”可以防止入侵者，增进安全。

当人体经过“束流断路器”时，一束细得像铅笔一样的低能γ射线被遮断，就接通警报器。

辐射技术的应用核武器爆炸产生的强辐射对人体是有害的，但是适量的核辐射作为一种物理效应，却有着广泛的应用，可以给人类带来很多奇特的好处。

因此，我们现在转向各种辐射源--x射线机、带电粒子加速器、核反应堆和放射性同位素源等的辐射效应对人类有利的一面，贯穿辐射包括电磁辐射、电子或其它带电粒子和中子，它们在工业、医学、农业和空间探测中都有很多应用。

下面我们以射线照相法为例：最早和最为人们所熟悉的辐射应用是射线医学诊断上x射线是用电子轰击重金属靶产生的高频电磁辐射。

众所周知，x射线贯穿人体组织的程度取决于物质密度，所以骨骼与其它密集的物质的影子会出现在照相胶片上。

一般的说，射线照相法包括用x射线、γ射线或中子对活组织或物体的内部情况的研究。

通过中子吸收，由稳定的钴-59可以产生同位素钴-60。

对医学和工业方面的应用，同位素钴-60是x射线管的重要替代物。

钴-60发射的γ辐射能量为1.17和l.33兆电子伏，这两种辐射对检查金属中的缺陷特别有作用。

用带有钴射线照相设备的扫描装置扫描，可以揭示金属的内部裂缝、焊接缺陷和非金属夹杂物。

同位素钴-60源的优点是小型轻便，无需电源。

钴的半衰期为5.27年，因此钴源可长期使用而无需更换。

另一方面，射线能量是固定的，强度也不会改变，但x射线机上发出的射线能量和强度是可以改变的。

如果用射线照相法给薄样品拍照，用铱-192比较方便。

它的半衰期是74.2天，光子能量约0.4兆电于伏。

有些物质对光子不敏感，但这些物质中富有氢，如塑料和橡胶，这时中子射线照相法就弥补了γ射线照相法的不足。

典型的中子源是锑－铍源。

在这种源中锑-124的γ射线（半衰期为60.4天）在铍中引起（γ，n）反应。

一种有希望的新放射源是锎-252，它是反应堆中经中子连续轰击钚而产生的人造同位素（原子序数 98）。

虽然锎-252大部分时间（96.908％）通过发射粒子而衰变，但其余时间(3.092％)是自发裂变。

这两个过程相应的半衰期分别是2.730年和85.57年。