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同位素有什么应用?


实验室k / 2019-03-26

       因为很少量放射性物质可以很容易被检测出,所以放射性同位素广泛地作为示踪原子应用于跟踪化学反应。卡尔文(Calvin,C.M.)等用含有放射性同位素14C的二氧化碳来研究光合作用中碳的动态。这称为示踪方法。有些元素不能得到放射性同位素,也可用稳定同位素作为示踪,这样就要用质谱仪来分析其产物。例如18O(稳定同位素)作为示踪原子,可以证明当酯生成时,酸的碳——氧键断裂:


       天然存在的放射性同位素具有一定的半衰期,可以作为统一时间的校准“钟”,用来确定地球历史的经历。半衰期最长的同位素,特别是天然放射系的母体,可以提供关于地球的年龄和岩石和陨星的年龄的信息。例如可以从238U与206Pb的比值来计算岩石的年龄。这种方法可用来计算地球形成的年龄和最老陨石的年龄,其结果基本是一样的,为4.5~4.6×10(9次方)年。最老的地球岩石年龄大约是3×10(9次方)年。利用阿波罗卫星取回的月岩的年龄稍大一点,为3.1~4.1×10(9次方)年。月球土壤的年龄为4.6×10(9次方)年。

       放射性另一有趣的应用是通过测定14C的含量,确定含碳物质的年龄。天然存在的碳大约是98.89%的12C和1.11%的13C,这决定于其来源。碳还含有很少量的14C同位素,14C具有放射性:


显然14C的生成是大气上层从宇宙射线来的中子与氮的反应:

(14)(7)N+(1)(0)n→(14)(6)C+(1)(1)H

在大气中碳氧化为二氧化碳后(含有放射性和非放射性的碳),被植物吸收,动物以植物为食物,这样14C进入到动物的组织中。通过14C的吸收和放射性的自然平衡,活的有机体内的14C与12C的恒态比达到与大气中的比相等,也就是相应于每克碳每分钟进行15.3次衰变。当动物或植物死亡,碳的吸收停止,放射性碳的含量由于衰变开始逐渐减少;在5720年以后,放射性碳减少到原来的一半,所以其衰变速度将降到15.3/2=7.65次/分·每克碳,这样通过测定木材、纸、纤维、化石等样品中碳的衰变速度,就可能确定有机体死亡的时间。这方法称为放射性碳确定时代的方法(radiocarbon dating method)。

       中子活化分析应用在现代检测空气的污染方面。当分析样品中某一元素时,将样品用中子源照射,被分析的元素的原子核俘获中子,直到形成不稳定的核而放射γ射线,因为γ射线的波长是元素的特性,故能在样品中与其它元素区别开来。这种分析方法的优点是非破坏性的,经过照射的样品,几乎不损耗。中子活化是灵敏的分析技术之一。例如可以检测出10(-12次方)砷,这比通常用的马许实验灵敏10000倍。

       从放射性物质和粒子加速器的高能辐射对生物有重要的影响。大剂量的辐射能导致严重疾病,甚至死亡。低水平的辐射也能产生遗传方面的危害。在控制条件下,高能辐射也会得到有益的结果,并广泛应用于医学。如X射线应用于肺结核病、骨折和牙科疾病的诊断是大家熟悉的。现在用放射性同位素于脑瘤的造影。放射性同位素最早应用之一是用在治疗癌症,用以破坏有害的细胞。近年用60Co改善了癌症的治疗。各种生理过程如血液流动、氧的利用和甲状腺的活性都可以利用放射性同位素进行研究。放射性同位素可提供监测各种物质在体内运动的方法。


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