放射性核素及其应用王文珍程鹏(南开大学化学系 夭津300071)摘要 介绍了近年来放射性核素在能源利用、医学和生物学、化学、材料科学、地质和考古学 以及工农业等各个领域的应用情况近年来，我国的高等院校化学教材建设呈现非常繁荣的景象,教材的实用性和针对性越来 越强，各类针对不同专业需求和不同学习背景的教材在选材和内容编排上均各有侧重,其中大 部分基础无机化学教材均将核化学单列一章，介绍有关核衰变反应和放射性的基础知识鉴 于近年来放射性核素在能源利用、医学和生物学、化学、材料科学、地质和考古学以及工农业等 方面越来越广泛的应用⑴，本文介绍一些相关内容,供教学中对该部分内容深入探讨时参考天然放射性核素发现不久,科学家就预见到放射性核素将在各个学科中得到广泛的应用 放射性核素首先应用于医学上1902年，人们发现镭射线能破坏患病组织的细胞，因而可以 用来治疗某些疾病1907年就有用镭治愈了皮癌的报道放射性核素示踪也是放射性核素 的早期应用，它的基本原理是利用放射性核素作为示踪原子，通过放射性测量以显示其存在位 置、数量及变化过程，从而跟踪研究对象的运动情况在1913年赫维西(G・de. Hevesy)和佩 尼斯(F. A. Paneth)建立示踪原子法后,放射性核素被广泛用于物理、化学、生物学及其他领域 的研究，解决某些过去无法解决的难题,如复杂的化学反应过程和生理变化过程等，成为一个 极其重要的识别工具。
如1920年代赫维西应用天然放射性TbB(2,2Pb)研究铅盐在豆科植物 内的分布和转移;1924年克列舜生(J・A. Christiansen)等人研究放射性祕和放射性铅在大白鼠 体内的分布和排泄情况;1941年赫兹(S・Hertz)应用研究甲状腺生理;1940年代利用“C 和“C研究植物的光合作用等放射性核素所引起的链式核反应在军工方面的巨大威力亦已 在第二次世界大战中得到了证明随着近年来科学技术的迅速发展，放射性核素在能源利用、 医学和生物学、化学、材料科学、地质和考古学以及匸农业等许多领域得到了广泛的应用从 总体上讲,放射性核素的应用包括两部分:示踪应用和射线应用下面简要介绍几个主要应用 领域及所使用的放射性核素1在医学和生物领域的应用放射性核素及其标记化合物在医学和生物学中的应用，使之成为现代医学和生命科学中 不可缺少的工具，并催生了一门新的学科——核医学许多学者认为，原子示踪法的应用是显 微镜发明以来医学史上最突岀的成就,在医学科学中引起了划时代的变化，在现代临床诊断、 治疗和基础医学研究中发挥重要作用据报道，早在20世纪80年代，美国约有1/3就诊病人接受核医学检査当代研究出来的新药在试用于临床之前，几乎每一种都用放射性核素标记 研究过。
放射性药物诊断是基于放射性药物进入体内后遵循一定的规律选择性地分布、积聚在身 体的某些脏器和组织,或参加某一代谢过程，或流经某一通道,因而可通过体外测定放射性，进 行扫描,7照相或发射电脑断层图像,根据吸收的速度和质量以及在脏器内分布的情况，可以 做出脏器的形态显示和功能判断来诊断病症女口:给病人服用示踪量的Na,3,I,经过一定时间 后，在甲状腺部位测定放射性，根据甲状腺吸⑻I率，通过与正常人进行比较，判断病人是甲状 腺功能亢进者，还是甲状腺功能低下;红骨髓对59FeSO4和胰腺对7'Se■硒代蛋氨酸的吸收和利 用，以及用只Cr标记的红细胞判断是否有胃肠道岀血及岀血的量;用惰性气体"Xe作示踪剂 测定肺局部血流量及通气功能等，均基于此原理另外，微骨细结构的表面吸附"mTc（AX和 “X分别为和同质异能素符号其中"X代表核素人乂的一个长寿命激发态即同核异能态，通 常把寿命较长的同核异能态当作一个独立的核素看待如,"Tc的半衰期为2.14 xlO5a,"raTc 的半衰期为6.02h；,,3In是稳定核素，而N3mIn的半衰期为99.5min0）标记的各种磷酸盐，骨骼 中的0H•可与“厂进行离子交换，是骨显像的原理；而"昵严％严Yb严I则是常用的脑扫 描剂用放射性核素。
放射性核素治疗疾病，是利用其衰变时放岀的射线在机体内引起电离作用,破坏病变细胞 来达到治疗目的如，使用‘中内照射治疗血液病和肿瘤的基础就是利用病态和肿瘤组织对 ‘巾具有选择性吸收的能力，因此积聚'中较多;而且肿瘤组织对0射线的敏感性也比正常组织 高严P发射的0射线在组织内平均射程为4mm,所以利用，2p进入体内,对病态和肿瘤组织的 局部照射，可以破坏和抑制其生长，达到治疗目的除了内服外,还可通过在体外照射使射线 达到患病部位进行治疗如，使用‘中敷贴剂可治疗皮炎;^Sr敷贴剂可治疗体表肿瘤、神经性 皮炎等放射治疗是目前治疗癌症的重要手段/Co是放射治疗癌症应用最多的一种核素核辐射所产生的高能射线或加速电子束与被辐射物质相互作用，能引起一系列物理、化学 变化，可以利用这些变化在工、农业生产中发挥重大的作用工业辐射加工中所用的辐射源, 主要为^CoJ^Cs等,可用于医疗用品的辐射灭菌及食品保鲜用辐射处理蔬菜、水果，可以抑 制发芽;处理鲜肉、水产、禽蛋类，可以杀灭微生物,并能改善食用品质;处理种子，可以杀灭混 入种子中的害虫，或有育种作用2在化学中的应用示踪技术在化学的各个领域都有广泛的应用°利用核辐射探测灵敏度高的特点,已测定 了许多难溶化合物的溶解度、难挥发物的蒸气压、配合物稳定常数、比表面、极慢扩散过程的扩 散系数等。
用放射性同位素标记的化合物反应以确定反应机理及化合物键合状态已成为化学 上普遍使用的手段例如以下反应：Hgl2 +2Nal31I — Na2Hg,3,I4Na2Hgl3,I4 +2AgNOj —2Ag1311 + Hg,3i I2 +2NaNO3放射性测定表明"I均匀分布在两种产物I和Hg13112中，说明N^Hgh的4个I原子是等 价的再如，用出和CO合成烷姪，以“C标记的乙醇混入原料中，结果发现除甲烷外，其他碳 链较长的烷绘均含有“C,说明这些烷姪是通过CO与乙醇加成的反应生成的放射性核素的辐照技术在高分子合成及有机合成领域也显示了巨大威力经过大分子辐 射处理可以产生交联、接枝、裂解等过程，在生产优质橡胶、薄膜材料、及快速固化涂层等方面 有广泛的应用20世纪30年代，核物理和核化学家们设想用人工方法合成新的元素，并在1937年成功 制得了 Tc,跨岀了从分离自然界已存在的元素到人工合成自然界不存在的元素的历史性一 步此后,新的元素不断被合成和分离出来理论科学家很早就意识到了相对论效应随着原 子序数的增大与厂成比例增长，从而导致超重元素的一系列性质，如离子和原子半径、电极电 势、配位能力等均大大偏离元素周期性质。
山于随着原子序数增大，原子核的半衰期也越来越 短，超重元素几乎不可能存在于自然界中因此人工合成新元素并研究它们的性质是检验和 发展元素周期理论的唯一途径如,106号元素如肿Sg是由'0轰击""Cm靶得到的，105号元 素^Ha是由“0轰击靶产生的目前得到确证的最重元素为116号元素，是由俄罗斯杜 布纳(Dubna)核研究联合科研所于1999年得到的放射性核素在合成新的超重元素及完善 周期表方面起着独一无二的作用，因而在元素周期性理论研究中独具魅力⑷O除了合成、机理方面的研究外，利用放射性核素还发展出一些现代仪器分析方法如，通 过研究"氓的了光子的无反冲共振吸收建立起来的穆斯堡尔谱学,不仅用于测定化合物，尤其 是配位化合物和金属有机化合物的结构、原子氧化态、化学键性质、金属与配体的相互作用等, 而且在表面化学、催化、金属腐蚀学等方面也有重要应用价值利用外磁场扰动角关联技术(PAC)作为研究原子核周围环境的探针,在研究固态化 合物的微观结构、键合性质、相变，溶液中的离子反应，生物大分子的结构变化,金属与蛋白的 相互作用等方面,能提供有关超精细相互作用的独特信息3在考古学及地质学上的应用核技术在地质学及考古学上的应用引起了划时代的变化，放射性“C纪年法的创始人W. F・Libby为此获得了 1960年的诺贝尔化学奖。
在二次世界大战以前，从事地质、考古的人们只 能估算相对纪年，没有一种技术能准确提供地质、考古的绝对纪年现在已建立了多种核技 术，使放射性核素不仅用于测定年代，还用来分析成分和含童这些核技术，有的是基于放射 性衰变，有的基于放射性对周围物质引起的辐射损伤C是自然界中存在的C的放射性同位素,丰度为1.2x10"°,半衰期为5730a,其衰变反 应为“C ―14N +0・十*反中微子)动植物体内的C元素通过呼吸作用与自然界的C存 在动态平衡•因此体内“C含墜与自然界中相同而在动植物死亡后，呼吸作用停止,不再从 环境摄取C,由于放射性衰变“C浓度不断下降，因此，根据动植物中“C的浓度，可以推算其生 活的年代在国家重点科技攻关项冃“夏商周断代工程”中就使用了“C纪年法，结合其他文 献资料和考古证据，确定了我国自夏代(2070 B.C.)以来的纪年表，使中华民族有纪年的文明 史上推了 1200年测定年代的另一种方法是利用天然放射性核素衰变的母、子体平衡关系•测定在一个封闭 体系中母、子体的含量比值来推算衰变所经历的年代女II,钾•氮法纪年是利用矿石中生成放 射性40Ar的反应■在矿石或岩石形成时，由于高温，惰性气体40Ar全部逃逸了，故矿石或岩石中 所含的40Ar全部是由衰变产生的。
因此测定样品中的和40Ar的含量即可计算岀该矿石 的形成年代此外，人们还利用长寿命核素238 U(r1/2二4.5 x 109a)严U(f“ =7.0x 108a)的衰 变子体(产物)来测定矿石、陨石及海洋、土壤沉积层的年龄;利用大陆沉积物中10Be(x1/2 =1.6xl06a）的测定研究黄土的堆积、侵蚀从而得到地球化学作用过程的一些线索另外，还有一种热释光法，是利用物质受到电离辐射作用后在加热过程中释放出的磷光和 荧光，在考古中研究测定古陶器的年代及判断文物的真伪在煤田地质勘探中广泛采用的y射线探井法，是利用了60Co放出的y射线该法可以相 当准确地鉴别煤层的厚度和深度此外■利用中子测井法在石油勘探中研究石油储量和含油 量,为合理开发油田提供可靠资料4在能源领域的应用重核的裂变和轻核的聚变都放出巨大的能量这是核武器和核能发电的基础目前运行 的核电站是通过控制重核的裂变反应9这方面的应用有许多专门著作•本文不作赘述将放射性核素衰变放出的a卫或了射线穿过物质时生成的热能转化为电能，可制成核电 池它具有结构紧凑，运行可靠，且不受环境影响，维护周期长等优点，特别适合用作宇航、水 下及自然条件恶劣的极地、高山、岛1W上的无人气象站、导航站等的电源°这方面应用较多的 放射性核素是它比较经济.而卫星、星球探测器等空间任务主要用^Pu,阿波罗11 ~17号 上使用的电池均以^PuO,为放射源。
5在其他领域的应用利用射线与物质的相互作用，可以设计和生产许多工业上广泛应用的仪表其优点是测 量时不接触和破坏被测物质,检测快速并且不受外界条件变化影响o如,厚度计广泛用于金属 材料、纸张、塑料、橡胶、纺织品、各种镀层或涂层厚度的测定，其原理是射线通过被测物质时, 强度因吸收而减弱,吸收的多少与被测物质的厚度有关.可由下式计算其中/o为射线原始强度J为射线穿过被测物质后的强度宀为被测物质对射线的线性吸收系 数山为物质的厚度乂如（射线探伤仪用于检测金属材料或机件的内部缺陷用y射线照 射工件，使透射线投影在照相底片上后显影,有裂缝、气泡或其他缺陷的部分吸收了射线比正 常部位少得多，因而可根据底片的阴影部分,确定缺陷位置及大致形状y射线探伤仪和厚度 计所用的放射性核素为^Cs^Co^Sr,^等类似的仪表还有密度计、物位计等。