同位素的应用

随着射线疗法的不断发展，有很多癌症病例采用射线疗法要比手术治疗效果更好。而且，有些癌症如用手术治疗已经为时过晚，对于这些患者，可以寄希望于射线疗法。要是在过去，不能进行手术就意味着绝望；显然，今天的情况与过去大不一样了。
为什么射线疗法能够用于治疗癌症呢？那是因为，细胞分裂越是活跃的组织，它对射线的耐受能力就越弱。因此，像癌细胞那样，不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织，在射线进行照射时，对它的杀伤力就显得特别大。那正是射线疗法的目标，是人们所希望的。当然，对于正常的细胞，如果采用大剂量射线进行辐照，也会受到损伤。但是，只要对准癌细胞的巢穴，用适度的射线剂量进行适当的照射，可以做到只杀死癌细胞，而对其周围的正常组织不会造成伤害或少受伤害。
放射性同位素有三个主要来源——加速器中带电粒子的产物，反应堆中的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可以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，探测它们的存在。放射性同位素在能源、工业、农业、医疗、环境、考古等诸多方面都有着广泛的应用。
一、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。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，如人体中的血液，输油管中的石油或排入江河中的污水等。利用示踪技术还可以对生物体内的农药形式进行分析，研究农药施用后发生的变化及其在生态系统中运动的规律。
在侦破化学中，活化分析还可用来搜查兴奋剂和麻醉毒品。
此外，如能配备中子发生器，放到深海底部，就可用于探查海底物质；也可以用来测定古代货币或青铜镜等古代文物与考古学史料等等。
三、引发物种变异
应用原子反应堆产生的热中子或加速器产生的快中子，以及放射性同位素放出的射线都可以使生物细胞内遗传物质的结构发生改变，因而引起生物形形色色的性状突变。放射性同位素的这种性质可以为我们：
活化分析技术应用于侦破化学，也是很有成效的。通常，刚打过手枪的罪犯，在衣服袖口和前胸等部位总是附着一些硝烟痕迹。从嫌疑犯的衣服上剪下一小片，放到反应堆中接受照射，进行活化分析。于是，硝烟中的各种微量元素，比如锑、钡等等便可以清清楚楚地显示出来。然后，把这些数据与被害者身上测到的数据进行对照，就能弄清两者是否相同。从而可以拿出罪犯料想不到的铁证。此外，对于罪犯留在作案现场的毛发，也常常要透过活化分析来进行调查研究。
癌症，过去一直被看作不治之症，但是，现在情况有了改变，人们能够进行早期诊断，辅之以早期治疗，因而大大增加了癌症能够被治愈的希望。根据医学辞典的解释，治疗癌症最有效的手段之一就是放射治疗。对于内脏器官上的癌，以手术切除为主，照射为辅。但是有一些癌症表面上看来范围很小，却有可能潜藏着已经发生转移的癌细胞；一旦有癌细胞残留下来，即使是很少的一点，也有可能引起癌症的复发。所以，手术的面积要大些，手术后再用射线进行照射，以杀死残余的癌细胞，根除癌症。
1.植物如何有效地利用水分（13C）
2.植物从土壤哪个层次获得水分（18O, 2H）
3.植物通过氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率（15N）
4.如何确定土壤中碳和氮周转速率（13C, 15N）
5.区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）
6.区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或NEE的相对贡献（13C, 18O）
3．确定含水层补给区的海拔高度。
4．确定各种来源水的混合比例。
如何运用放射性同位素？
1.射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上。
2.测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产过程中的材料厚度进行监视和控制等。
3.用放射性同位素作为示踪剂。
4.用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能源等。
13.判断动物如候鸟、蝴蝶等的迁徙路线（18O, 2H）
14.判定史前人源自文库社会是否以谷物作为食物来源（13C）
15.确定植物的分布区域（15N, 18O, 2H）
放射性同位素的应用及发展
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。
利用示踪剂二氧化碳-14还可以研究有关植物呼吸的详细情况。例如，由于昼夜之间的差别，植物的呼吸情况有什么不同？呼吸对光合作用有什么影响？不同植物之间，呼吸有什么差异等等。
此外，由光合作用产生的淀粉、蛋白质、脂肪等各种物质，在植物体内是怎么样运动、转移的？又是怎么样积累并贮存到各种不同的“仓库”里去的？这些“仓库”包括果实（像稻米、小麦）、 茎（像土豆）、根块（像甘薯）等。所有这些自然界的巧妙安排和行为，也都是在利用示踪剂--二氧化碳-14进行研究之后才得以解释清楚。目前，除了碳-14以外，还可配合使用其它的放射性同位素，如磷-32、氢-3等作示踪剂，从而使一些研究工作能够做得更加细致周密。
2．判断地下水与地表水流及水体间的联系。地表水流及水体由于其水面暴露在大气之下，因而存在着明显的蒸发作用，因此地表水中的氘和18O含量总是高于大气降水和地下水。这样就可根据水中的δD及δ18O值以及δD—δ18O图上的斜率来判断他们之间是否存在有水力联系。因为在通常情况下的降水直线为δD=8δ18O+10，如果降水转为地表水并经过蒸发后其直线斜率会发生变化。有学者曾利用同位素对莱州湾海水入侵的成因和变化发展作了研究。结果表明，在莱州湾西部的广饶地区属于卤水(古海水)入侵区，该区地下水变咸是由于地下水超量开采导致地下水位降低，使地下卤水入侵所致；在莱州湾东部的龙口地区属于现代海水入侵区；在莱州地区则既存在海水入侵又存在着卤水入侵。
为了调查由工厂排出的煤烟或废水引起的公害，也常常离不开使用活化分析。例如，对大气中的微量尘埃取样，进行活化分析，就能获得很多有关大气的情报。如尘埃中含有哪些元素？每种元素的含量是多少。也可以查清城市废物焚烧炉、各种锅炉、钢铁厂的冶炼电炉等不同污染源与环境污染的关系等等。另外，活化分析也可以研究煤烟或废水是如何扩散的？
7.区分蒸腾和蒸发对净生态系统水交换或蒸散（ET）的相对贡献（2H, 18O）
8.判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（15N, 18O）
9.确定食物网初级消费者事物来源（13C, 34S）
10.确定食物链的长度（15N）
11.如何确定空气和水体污染物的来源（15N, 34S, 18O）
12.确定城市能源消耗对大气CO2, CO和氮化物的贡献(（13C , 15N, 18O）
（二）稳定同位素方法的应用
以氢、氧等稳定同位素为例来说明稳定同位素在地下水监测、污染与防治中的应用。
1．判断地下水的现代补给来源。如果地下水有几种不同地区的降水补给来源，而且在不同地区形成这些降水的蒸发，凝结条件也各不相同，那么在不同地区降水来源的图δD—δ18O上的直线就会出现不同的斜率和截距，据此就可以判断地下水的补给来源。利用这一原理，我们可以进行地下水污染源的追踪。确定污水的地表来源。
5.利用放射性同位素的杀伤力，转恶为善，治疗癌症、灭菌消毒以及进行催化反应等
如何在生态和环境科学研究中运用稳定同位素？
通过使用稳定性同位素技术，可以使生态学家测出许多随时空变化的生态过程，同时又不会对生态系统的自然状态和元素的性质造成干扰。在过去的十几年中，一些生态与环境科学的最令人瞩目的进步依赖于稳定性同位素技术，稳定性同位素能够被用来解决生态与环境科学的许多问题。 包括：
2.辐射灭虫
大量的辐照也可以使某些害虫发生变异。这种消灭害虫的作战方法叫做“辐射绝育法”，也叫“雄性不育法”。
四、利用辐射杀伤力
1.食品保鲜
就是利用放射性同位素或低能加速器放出的射线对食品进行辐射处理，达到长期保藏食品的目的。放射线有一些特殊的本领。它具有较高的能量，穿透物质的能力强。一定剂量的照射，能杀死寄生在食品表面及内部的微生物和害虫。适当剂量的照射，能抑制农畜产品的生命活动。这就从根本上消除了食品霉烂变质的根源。
1. 辐射育种
随着科学技术的发展，人们已不再单纯地利用植物本身自然产生的变异，而是能够应用现代科学的成就来人工创造新的变异类型，这种方法叫“人工引变”。大体说来，应用人工引变诱发的有利突变可以有千分之一的机率，而自然产生的突变只有百万分之一的机率，人工引变可以提高突变率一千倍。但是到目前为止，人们还不能控制变异的方向。我们必须在各种变异的后代中，进行认真仔细的选择，才能育成符合我们所期望的良种。这种应用射线引变选育良种的方法叫做“辐射育种”。它是继“系统选种”，“杂交育种”之后而兴起的一种新的育种方法。
二、稳定同位素方法的应用
（一）稳定同位素
同位素是质子数相同而中子数不同的原子，它可分为稳定同位素和放射性同位素。在已知的1700多种同位素中，稳定同位素有260多种。有的元素只有一种同位素，例如氟；有的元素有多种同位素组成，例如氧有三种同位素：16O，17O，18O。同一元素的同位素之间由于核质量的差别，其物理和化学性质存在微小差别，这种性质差别与核过程无关，与放射性衰变无关。正由于这种微小的性质差别，经物理的，化学的或生物的过程之后，体系的不同部分（如反应物和产物）的同位素组成将发生微小的，但可测量的改变，这就是同位素分馏。例如水蒸发时，水蒸汽富集H216O，而残余水相中则相对富集D216O和H218O。
六、考古应用
宇宙空间一直在不断地向我们的地球发射各种各样的射线，这种射线叫做宇宙射线。其中有一种射线叫做中子射线。这些中子和大气中的氮原子核发生碰撞，打出质子。同时产生出一种新的核素--碳-l4，它是碳原子的放射性同位素。结果，在地球的大气中，碳-l4的含量不断地增加。
但是，正如前面所说，放射性同位素是有一定寿命的，它会不断地发生放射性衰变。碳-l4的半衰期是5568年。就是说，每隔5568年，碳-l4的含量注定要减少一半。这样，碳-l4不断地产生，同时又不断地死亡，结果使大气中的放射性碳-l4浓度达到一定的平衡值。
辐照保鲜是一项发展极快的食品保藏新技术。研究结果表明辐照食品对人体没有任何不良影响，可以供人食用，安全可靠。
2.辐照灭菌
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。尤其是人们经常利用射线对医疗器械进行灭菌消毒。如：手术时缝合伤口用的缝线、肠壁缝合线；一次性注射器；插入支气管用的探针导管、手术用的橡皮手套、取血用的采血板、放入子宫的避孕环、人工肾脏透视器等等，也都采用射线消毒技术。
还有一些工作，如除草剂的研究、家畜或鸡饲料中养分的传送方式的研究以及各种昆虫的生态方面的研究等等，都离不开使用示踪剂的方法。正是因为有了示踪剂技术，才为各种精密的研究开辟了新的道路，促进了各方面研究工作的开展。
二、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。这种测定方法用途广泛。例如，调查直升飞机喷洒农药的分散效果。农药散布到稻田以后，从各个不同部位采集稻秧，放到反应堆中照射，经过活化分析，便可测出微量农药的放射性。从而可以知道每颗稻秧上粘附的农药量。根据这些测定数据可以绘制出农药散布量的分布图。
运用稳定同位素法查寻地下水污染源
一、地下水污染与防治概要
地下水污染来源主要有：工业废物（废水，废渣，废气）、城市和乡镇居民排放的生活污水、大量的施用化肥和农药、土地填埋污染、燃料和石油的泄漏以及地质环境造成的地下水污染。稳定同位素因在地下环境中不受外界条件影响，且具有“指纹”特征，可以方便地确定地下水污染的来源，从而显示出其在地下水污染源追踪方面的优越性，在地下水污染治理方面有良好的应用前景。
另外，辐射灭菌也可用于污水处理中。通常，污水是采用“活性污泥法”进行处理的。由此产生的沉积物、淤渣泥浆也是十分讨厌的，需要进一步处理。由于污泥浆本身含有很多磷、氮等元素，所以可作优质肥料使用。但另一方面，人们也担心在污泥中隐藏了各种各样的细菌。因此，先要用钴-60的伽玛射线对污泥进行辐照灭菌。
五、治疗癌症