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放射性的应用

尽管射线有着广泛的用途，但它对人体组织却会造成伤害，随着放射性同位素及射线装置在工农业、医疗、科研等各个领域的广泛应用，射线造成危害的可能性也在增大．在使用放射性同位素时必须注意安全．

![图片](/uploads/2026-04/f0f018.jpg){width=500px}

$\alpha$ 射线电离作用最强，而穿透能力最弱，用一张厚纸就可以把它挡住；$\beta$ 射线的电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透纸张，一定厚度的铝板可以把它挡住；$\gamma$ 射线电离作用最弱，有着极强的穿透力，甚至能穿透几厘米厚的铝板，需要用铅板或混凝土才能挡住（如图 5－4－3 所示）．除这三种射线外，常见的射线还有 X 射线和中子射线，这些射线对物体具有不同的穿透能力和电离能力，从而使物体或机体发生一些物理、化学或生化变化．如果人体长时间受到大剂量的射线照射，就会使细胞、组织、器官受到损伤，破坏人体 DNA 分子结构，有时甚至会引发癌变，或者造成下一代遗传上的缺陷；过度照射时，人常常会出现头痛、四肢无力、贫血等多种症状，重者甚至死亡．

放射性防护可分成内照射防护和外照射防护，内照射与外照射的显著差别是，即使不再进行放射性物质的操作，已经进入体内的放射性同位素仍然在体内产生有害影响。造成内照射的原因，通常是因为吸人被放射性物质污染的空气，饮用被放射性物质污染的水，吃了被放射性物质污染的食物，或者放射性物质从皮肤、伤口进入体内。内照射防护的基本原则是尽可能地隔断放射性物质进人人体的各种途径。通常采取的措施是把可能成为污染源的放射性物质放在密闭的手套箱或其他密闭容器中进行操作，使它与工作场所的空气隔绝；严禁工作人员用可能被污染的手接触食物、衣服或其他生活用具等．

外照射的特点是只有当机体处于辐射场中时，才会引起辐射损伤，当机体离开辐射场后，就不再受照射。外照射防护通常采用下列三种方式防护。

缩短受照射时间
受照射的累积剂量与受照射时间成正比。在一切接受电离辐射的操作中，应以尽量缩短受照射时间为原则。例如，在用 X 射线进行胸部透视时，病人所受照射剂量随检查时间而增加，医生应当在查清病灶的情况下，尽量缩短透视时间。对于工作时间较长的强放射性操作，可以采取限制个人操作时间、更换操作人员等措施，以减少每人所受的照射剂量．

增大与辐射源间的距离
增大操作人员与辐射源间的距离，可以降低其受照射的剂量。对于点状放射源，人体受照剂量率与距离的平方成反比。在实际操作中常使用远距离操作的工具，如长柄钳、机械手、远距离自动控制装置等，以降低剂量率．

屏蔽射线
屏蔽物有固定式，如防护墙、地板、天花板、防护门和观察窗等；移动式的有包装容器、各种结构的手套箱、防护屏和铅砖等。屏蔽材料要根据不同的辐射来选取，$\gamma$ 射线和 X 射线的常用屏蔽材料有水、土壤、岩石、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、钨等。 $\beta$射线能引起组织表层的辐射损伤，还能产生轧致辐射，所以对 $\beta$ 射线的防护应采用两层屏蔽．第一层用低原子序数的材料屏蔽 $\beta$ 射线，可减少轧致辐射，常用材料有烯基塑料、有机玻璃和铝等；第二层用高原子序数材料屏蔽辐射，常用生铁、钢板和铅板等．

## 人工放射性
1932年，美国物理学家安德森（C．D．Anderson，1905－1991）发现正电子。正电子的质量和电荷量大小与电子相同，但电性与电子相反，正电子的符号是 ${ }^0{ }_1 e$ ，它是人类发现的首个**反物质基本粒子**。

1934 年，约里奥－居里夫妇用 $\alpha$ 粒子轰击铝笪后，除了探测到正常的中子以外，还意外地探测到正电子。更令他们感到吃惊的是，移走 $\alpha$ 放射源后，铝箔不再放出中子，但继续放出正电子。而且这种放射性随时间衰减的规律与放射性衰变一样，也有确定的半衰期。铝原子核被 $\alpha$ 粒子轰击后发生的核反应是

$$
{ }_{13}^{27} Al+{ }_2^4 He \rightarrow{ }_{15}^{30} P+{ }_0^1 n
$$

这一核反应的生成物磷 30 具有放射性，发生正电子衰变，衰变方程是

$$
{ }_{15}^{30} P \rightarrow{ }_{14}^{30} Si+{ }_1^0 e
$$

磷 30 是首个通过人工方法获得的放射性同位素，这是一个重要发现。此后，科学家用质子、氞核、中子和 $\gamma$ 粒子轰击原子核，也都得到了放射性同位素。此前，我们已经知道原子序数大于 83 的天然存在的元素都具有放射性。事实上，天然放射性元素只有 40 多种，原子序数超过 92 的放射性同位素都是通过人工方法获得的。现在，利用原子能反应堆和粒子加速器生成的同位素已经超过 2000 种，每种元素都有放射性同位素。

## 放射性同位素的应用
### 治疗癌症
放射性同位素在科学研究和人们的日常生活中得到了广泛的应用。利用射线的穿透能力与物质密度、厚度的关系可以检查各种产品厚度、密封在容器中的液面高度等。

放射性同位素放出的射线会致癌，但我们也用射线对某些癌症患者进行放射性治疗（放疗）。射线对迅速生长的癌细胞有破坏作用，但同时也会破坏周边的正常细胞。因此，放射性治疗会对患者产生副作用。为了减少副作用，临床上需要先对肿瘤定位，然后用很细的 γ 射线或 X 射线来照射肿瘤。如图 15–12 所示，当射线对准肿瘤所在部位后，往往采用使放射源或患者身体旋转的方式使射线充分照射肿瘤的各个部分，同时又使射线的剂量尽可能降低。临床上一般用钴 60 或 X 射线机所产生的 0.2 ~ 5 MeV 能量的光子束进行放疗。

![图片](/uploads/2025-06/444a5d.svg){width=400px}

图 15–12 患者正在进行放射性治疗

### 跟踪原子
在某种元素中掺进适量的放射性同位素，放射性同位素会跟随这种元素一起运动。通过探测放射性同位素放出的射线，就可以知道这种元素的踪迹。我们将作这种用途的放射性同位素称为示踪原子。

### 发现新物质
1965 年 9 月，我国科学家完成了结晶牛胰岛素的人工全合成，这是世界上第一个人工合成的蛋白质，为人类认识生命、揭开生命奥秘迈出了可喜的一大步（图 15–13）。在合成的过程中，科学家将碳 14 作为示踪原子掺入人工合成的牛胰岛素并与天然牛胰岛素混合，经过多次结晶，得到了碳 14 均匀分布的牛胰岛素结晶，证明人工牛胰岛素与天然牛胰岛素是同一种物质。

## 辐射与安全

人类一直生活在放射性的环境中。例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线, 我们周围的岩石, 其中也有放射性物质。我们的食物和日常用品中, 有的也具有放射性, 例如, 食盐和有些水晶眼镜片中含有钾 40 , 香烟中含有钋 210 , 这些也是放射性同位素, 不过它们辐射的强度都在安全剂量之内。

然而过量的射线对人体组织有破坏作用, 这些破坏往往是对细胞核的破坏, 有时不会马上察觉。因此, 在使用放射性同位素时, 必须严格遵守操作规程, 注意人身安全,同时, 要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。存在射线危险的地方, 常能看到如图 5.2-9 所示的标志。
 ![图片](/uploads/2024-01/image_20240109f96f71b.png)
 
 
 
### 半衰期

放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如氡 222 经过 $\alpha$ 衰变成为钋 218。如图 5.2-4, 横坐标表示时间, 纵坐标表示任意时刻氡的质量 $m$ 与 $t=0$ 时的质量 $m_0$ 的比值。如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现, 每过 $3.8 \mathrm{~d}$就有一半的氡发生了衰变。也就是说，经过第一个 $3.8 \mathrm{~d}$,剩有一半的氡; 经过第二个 $3.8 \mathrm{~d}$, 剩有 $\frac{1}{4}$ 的氡; 再经过 $3.8 \mathrm{~d}$,剩有 $\frac{1}{8}$ 的氡 ……因此, 我们可以用 “半衰期” 来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变
所需的时间, 叫作这种元素的半衰期 ( half life)。
不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如, 氡 222 衰变为钋 218 的半衰期是 $3.8 \mathrm{~d}$, 镭 226 衰变为氡 222 的半衰期是 1620 年, 铀 238 衰变为针 234 的半衰期竟长达 $4.5 \times 10^9$ 年。

对于一个特定的氡原子, 我们只知道它发生衰变的概率, 而不知道它将何时发生衰变。一个特定的氡核可能在下 $1 \mathrm{~s}$ 就衰变, 也可能在 $10 \mathrm{~min}$ 之内衰变, 也可能在 200 万年之后再衰变。然而, 量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。例如, 对于大量氡核, 可以准确地预言在 $1 \mathrm{~s}$ 后、 $10 \mathrm{~min}$ 后, 或 200 万年后, 各会剩下百分之几没有衰变。放射性元素的半衰期, 描述的就是这样的统计规律。

放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。例如, 一种放射性元素, 不管它是以单质的形式存在, 还是与其他元素形成化合物, 或者对它施加压力、提高温度, 都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等, 都不会影响原子核的结构。

核反应

衰变是原子核的自发变化, 科学家更希望人工控制原子核的变化。当初卢瑟福用 $\alpha$ 粒子轰击氮原子核, 产生了氧的一种同位素一一氧 17 和一个质子, 即

$$
{ }_7^{14} \mathrm{~N}+{ }_2^4 \mathrm{He} \longrightarrow{ }_8^{17} \mathrm{O}+{ }_1^1 \mathrm{H}
$$

这是人类第一次实现的原子核的人工转变。不仅用 $\alpha$ 粒子,用质子、中子甚至用 $\gamma$ 光子去轰击一些原子核, 都可以实现原子核的转变, 通过这种方式可以研究原子核的结构,还可以发现和制造新元素。

原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程, 称为核反应 (nuclear reaction)。与衰变过程一样, 在核反应中, 质量数守恒、电荷数守恒。

核物资衰变周期非常长，这使得产生的放射性难以清除。自1954年苏联建成世界第一座核电站算起，核能在提供能源的同时，核电站事故、放射物质泄漏等灾难性事故时有发生。其间重大核安全事故共发生了3次：1979年美国三里岛核电站发生核泄漏事故；1986年苏联切尔诺贝利核电站发生重爆炸事故以及2011年3月发生、仍处在“进行时”的日本福岛核电站泄露事故

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