第三、四节 探测射线的方法、放射性的应用与防护

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放射性的应用

　　核能的和平利用除了以核动力的形式被广泛应用于现代能源和舰艇船只的动力外，还可利用放射性核本身所发射的各种射线的能量．这是一切放射性核所具有的特性，虽然其能量和核裂变能相比是比较小的，但由于核科学技术的蓬勃发逐，放射性在科学技术上还是获得了愈来愈广泛的使用．而这些有用的不同能量、不同种类的射线都是从各种核素中放射出来的，所以放射性的应用也归结为放射性核素的应用．

　　放射性应用的形式可分成三种：第一，它可以作为新的科学研究工具(即示踪原子)应用于各种学科．其中包括物理学、化学、生物学、医学、地质学和考古学等；第二，放射性同位素所发射的射线和X射线很相似，可以用来作为辐射源去透视各种X射线不能透视的材料内部的特性和缺陷，并可以在大规模生产中，用作为自动检查仪器及各种测量仪器等等；第三，它可作为核能源应用，如核电池．下面仅就某些方面的应用加以简单介绍．

　　首先，在考古学中，我们可以利用测定发掘物中碳14放射性核素的含量，来确定它的年代．这是由于不论植物的品种和生长在何处，其新细胞组织中每一克碳内所包含的放射性碳原子核的数目都是相同的，即都等于750亿个．它们衰变时能放出β粒子，其半衰期约为5730年，即2分钟内有17个碳14核发生衰变．随着弱β射线测量方法的不断改进，科学家们有办法测量出它的放射性活度．

　　当然，在大自然的循环过程中，植物中的碳14随同废物一起进入动物的机体．这样生长中的动植物，其中衰变掉的碳14是由大气中的二氧化碳所生成的新的碳14来补充，所以每克组织中的碳14的数目保持不变．但是死亡后的动物或植物其情况就不同了，此时来自大气的放射性碳原子不再补充衰变掉的放射性碳原子，而死亡机体中的放射性碳原子数目是按其衰变规律减少，即约经5730年下降一半，经11460年减少到1/4．依此类推，就能根据动植物残骸中碳14的含量来确定其死亡时间．考古学家们就是用上述方法来确定各种出土文物、古遗址和具有考古价值遗物的年龄的．例如，我国曾对出土越王勾践剑进行过鉴定．

　　当然，在测定含有动物或植物体所形成的许多碳化合物的岩石的年龄时，要求它们不能超过几万年．因为如果在6万年前，即约经过10个半衰期，这样碳14的放射性活度已下降到千分之一，测出它就很困难，实际上也是不可能的．同样，可根据天然放射性核素的衰变规律，以及它在某种特定的公石中的含量，来确定化石的年龄．从此也可以推算出形成矿床和地层的年龄，这比其它各种估计地壳年龄的方法能更精确地得到地质年代或陆地形成的年代，通常称之为“地质钟”，用这种方法可算知地壳的年龄约为40亿年．

　　在地质学上的另一种应用是放射性勘探矿藏．在地质钻孔探矿中，对于不同钻孔深度的岩芯样品分析原是件复杂而繁重的工作．而射线探矿就可以很快帮助地质学家们解决这个问题．对于那些含有放射性元素如铀、钍、钾等的矿层，可直接从放射性活度记录仪器上反映出来．

　　研究结果表明：粘土、页岩、磷石灰岩等都有很强的放射性．而煤、砂岩、石灰岩(可能含有石油)，以及气体等的放射性是很微弱的．由此可见从放射性的强弱大致上可发现石油矿层．

　　放射性射线在现代工业的生产过程中也获得了十分广泛的应用．

　　我们知道由于射线具有强的穿透性，特别是γ射线，它的穿透能力比医学和工业上已用过的x射线还要强许多倍．这样，冶金和机械工业就用它来透视各种产品，以达到无损探伤的目的．常用的有钴60γ射线探伤仪，这种射线能穿透30厘米厚的铁板．

　　经过透视可方便地发现各种金属制品中的缺陷，如零件中的裂纹或铸件中的砂眼，特别能及时查出焊缝的质量．更方便的是用射线照相的方法，如在射线通过的路径上有孔隙或裂纹，则γ射线将会畅通无阻，照相底版上就会呈现出黑色．也可用计数器代替照相底版，从计数的强弱中可分析出金属中有无缺陷．

随着中子的发现及其测量技术的发展，现代工业中往往用中子源代替γ源进行中子探伤或称中子照像．由于这种方法具有更多的优点，因此近年来被更广泛采用．

　　此外，利用同样的原理可对钢板等各种板材的厚度进行自动测量，这种装置称为射线测厚仪．用它可以控制和保证其生产过程中板材厚度的均匀性．当然也可对各种金属镀层厚度或涂在人造革、漆布和其它纺织品上的颜色、涂料的厚度进行测量；对锅炉内的水位或其它容器内的液位高度也可进行测量，这种装置称为射线液位计；对高速旋转的机器的转速也可进行测量，被称为射线测速仪等等．

　　另外一个有意思的应用放射线核素的例子是可用它来检查无法直接观察的设备零件的磨损情况．当磨损情况严重时，放射性核素进入摩擦面，一起磨损被润滑油带走．只要在润滑油所经过的路径上装上记录放射性的计数器，就能及时地发现油内的放射性元素，运行操作人员只要从仪表指示或讯号指示上就能很快发现．

　　根据同样的原理，可使输送石油产品自动化．即在同一根管道中连续输送两种不同产品时，只要在中间注入一种含有放射性核素的制剂，使其与管道的阀门开关相互联系，造成油门的自动转换，就能达到自动输送的目地．当然，同时也可做到放射性检漏，只要把放射性检漏仪放入油管中，如遇上漏油处它就能发出讯号指示出漏油的地方，可做到及时维修．

　　毫无疑问，随着核技术的不断发展，它在现代工业上，特别是生产过程自动化的需要上，各种放射性同位素仪表将起着更大的作用．

　　由于射线的电离本领能杀死各种细菌，所以可利用射线对罐头食品、医疗用品进行消毒，它在食品工业、商业和贮藏保鲜食品等方面也获得了广泛应用．

　　同样，放射性同位素在农业生产中也得到了多方而的应用．例如，辐照育种以达到早熟增产的目的，经过三十多年的研究证明，辐照后的种子，其生长过程发生了许多变化，其中大多数变化干扰了它们正常生长而发生变异．但是仍有一部分经过突变的生物体在某一方面得到了改善．至今，人们还不能控制或预测它们的变化．

　　不过已有九种辐照良种在世界各地生产，在这些良种中，没有一种理想的变化是直接来自处理过的种子，它们都是经过几代的杂交育种和选种以后，才能获得有用的新品种．

　　除此以外，放射性核素示踪剂还可用于合理施肥，即把放射性核素磷32混入肥料，观测其根部如何吸收营养，结果发现植物在生长前两三个星期内，其体内50～70％的磷都是从肥料中得到的．另外发现肥料也可被植物的叶部吸收．像磷、氮、钾这些元素从吸收部位运送上去和运送下来的速率，与由根部吸收后的运送速率是相同的．

　　当然，在其它方向如家畜的饲养、种子、果品、蔬菜等贮存保鲜，以及防治各种病虫害方面，射线也有很多应用，在此就不再一一例举了．

　　目前放射性核素在生物化学和生理学方面，己愈来愈广泛地被用来研究机体内的新陈代谢作用等等．研究结果表明，人体中所需要的各种蛋白质、脂肪等基本物质在贮存过程中部不是“不变的”．它们根据人体活动的需要而随时动用，不断地进行物质的更新过程，也就是破坏和分解—些旧物质，生成一些新物质是同时进行的．这样就能对人体内的新陈代谢作用更为有效地抑制和调节，从而促进人的健康和长寿．

另外，通过示踪原子法对人体的血液循环出进行了研究，因为血液循环的速度能够说明身体的健康状况．一般是注入含有微量放射性钠原子的食盐水，并用能记录钠24所放射的γ射线的计数器进行测量．结果表明健康成年人的血液循环一周的平均时间约为22秒；2～12岁的小孩为11秒，而6周到2岁的小孩只有7秒钟．

　　由此也可在某些病症的选药上进行应用放射性核素．如果我们对患有高血压病的人，测量其用药前后的血液循环时间的变化，很快就能确定治疗高血压病的各种药品的效果．

　　此外，用标记红血球的办法，可证明人体中并不存在“血库”的概念．因为早先人们曾认为人体中的血液不是全部参加循环，而是有一部分血液积存在肝、脾和一部分肌肉内，即“血库”．而人在进行体力劳动或机体处在氧气稀薄的情况下(如高山或高空中)，“血库”能把血压出参加循环．

　　但经用食有放射性磷32的红血球进行验证，测得在剧烈运动或繁重的体力劳动后，人体血液中的红血球量实际上并没有增加．这就说明，没有从“血库”中取得任何补充血液．另外，测量在送入标记红血球24小时后同一人体的血液放射性的结果，发现完全相同没有任何变化．由此也明显地否定了“血库”的说法．

　　放射性核素在医学上应用的另外一个重要方面是诊断和治疗许多疑难病症．最早应用的是放射性碘对人体的甲状腺进行诊断．而且从甲状腺活动的变化分析中得出，当患有高血压、心脏病肺病等病症时，甲状腺的功能就失调减退，相反对皮肤病患者，甲状腺功能亢进．一旦健康恢复，其功能亦恢复正常．由此可见，放射性碘不但能帮助诊断病症，并能在治疗过程中检查健康的恢复情况．

　　放射性核素对外科医生的手术也有帮助．先把示踪原子浓集于患者的病灶处(如甲状腺或肿瘤)，这样就能用计数器准确地定出开刀的位置，并能知道切除的干净程度．

　　许多医疗单位都设立了“核医学科”“放射科”“放疗科”，所以在医学上采用放射性核素进行治疗已起着特别重要的作用．其中尤其是对癌症的综合治疗，一种是外部大剂量放射性辐照进行深部治疗；另一种是内部注射疗法．还有就是带放射性核素的敷贴剂，它可直接贴在患处，对各种湿疹、牛皮癣等特别有效．其优点表现在只限于有病的皮肤，对其余健康的皮肤不起伤害作用；而且只照射皮肤的表层，对深部组织影响不大．

　　例如在治疗面部皮肤或粘膜性的某些癌症时，溶液状的放别性磷可直接引入肿瘤内部．一旦治愈后仅留下一块不的瘢痕，能保持容貌上的美观．过去外部照射的射线是用镭，后来慢慢用钴60代替．现在常用钴炮照射治疗各种疾病．

　　随着中子发现以后，利用它具有对生物组织的更大的破坏力来治疗许多恶性肿瘤，也已取得不少成效．只要在肿瘤中注入某种(如硼10)能大量吸收中子的元素，中子被吸收后就能放出γ射线，它对肿瘤细胞起到杀伤作用，但对正常组织无任何危害．

　　总之，核能和放射性核素在生物学和医学上的应用将会给人们提供更大的可能性去解决人的健康和长寿的问题．

　　至于放射性核素和各种射线，特别是中子活化技术等方面的应用将更有发展前途．但不管怎样，放射性同位素的获得和广泛应用是人类智慧的又一伟大创举，它将为社会生产力的进一步发展和提高开阔了广阔的前景．如果说十九世纪主要是蒸汽时代，那么二十世纪就是电子时代，并已经开始逐步走向核能时代．巨大的核能必将为人类的进步和文明做出应有的贡献．

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放射性消毒

　　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．这也是大家最容易想到的一种射线应用．尤其是人们经常利用射线对医疗器械进行灭菌消毒．这是另一种典型的以毒攻毒的方法．

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揭开光合作用的奥秘

　　淀粉、蛋白质、脂肪等是人类生存所必需的食粮，而植物正是制造这些食粮的天然工厂．大家都知道：所谓光合作用，就是依靠太阳提供给地球的能量，通过植物的叶绿素使空气中的二氧化碳气体和植物根部吸收的水分、无机盐等进行合成，从而为人类提供了巨大的粮食资源．它是在低温条件下进行的，这在试管里是无论如何不能做到的．这个自然之谜，真是自然界中不可思议的问题之一！而放射性标记化合物放射性同位素示踪剂技术的利用，对于揭开这个自然之谜起着极为重要的作用．在光合作用的过程中，最初形成的基本化合物的最小单位是一由三个碳原子组成的，叫做C₃植物．后来，又发现了基本单位是四个碳的植物，叫做C₄植物，以区别于C₃植物．应该说，C₃、C₄植物是光合作用的最基本的产物．有关这些基本产物的知识，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．

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