投稿類別 化學類 篇名 作者 邱彥嘉 國立中央大學附屬中壢高中 高二班 指導老師 陳靜馨老師
壹 前言 一 研究動機 生活中沒有什麼可怕的東西, 只有需要理解的東西 這句話是出自於發現人工放射性元素並得到諾貝爾化學獎的居禮夫人, 一般人聽到放射性三個字, 就會退避三舍, 然後有先入為主的想法, 覺得這種東西只會對人體健康有害, 或用於戰爭 今日, 放射線已被廣泛的用在醫學 工業 食品 農業 考古等, 幾乎沒有用不到的地方, 尤其被認為會傷害人體的放射線, 事實上在醫學領域可是有很大的貢獻, 如果只覺得放射線只能用來生產核彈, 是萬萬不可的 二 研究目的 ( 一 ) 淺談放射性同位素 ( 二 ) 探討各領域放射線的應用 三 研究方法 步驟一 確立主題步驟二 查詢資料步驟三 整理並歸納步驟四 校稿 貳 正文 一 淺談放射性同位素 ( 一 ) 天然放射性同位素的發現自從天然性放射性同位素 ( 英語, 或 ) 被威廉康拉德倫琴 ( ) 在做有關陰極射線的實驗一種將氣體在低氣壓 高電壓的情況下導電的實驗時, 發現了可以被鉛擋住的 射線, 當時射線已經可以照 出骨骼並用於醫學上 倫琴發現射線後, 有一位法國物理學家, 亨利貝克勒 ( ) 發現硫酸鈾醯 鉀晶體 銅幣 金屬物體和一些軟片在暗室裡不需要陽光, 也可使各軟片都被感光而照出這 些物體的明亮影子, 因此貝克勒得到一個結論 鈾不需要外來的能源如陽光也能發射輻射, 因此他發現了放射性, 從材料中自發的發出輻射, 但貝克勒非常可惜的來不及發現其他元素, 放射線就已經奪走他的生命 後來, 科學界著名的夫妻檔居禮夫婦, 使用了兩片隔開的金屬片 電流計所組成的電路
( 如 ), 並利用放射線能使空氣游離而導電的特性, 發現了類似鈾, 且具有放射性的其 他元素 註作者自繪 ( 二 ) 放射性同位素特性同位素是只某些元素其質子數相同, 中子數不同, 此類元素在週期表站有相同位置, 且其化學性質完全相同 利用在質譜儀發現同一元素在磁場中運動時個別的行動有異, 因此可以推斷其相同元素的質量有所不同, 代表在原子核中一定量的質子數可以有不同的中子數配合, 在這些不同的配合中, 可以分為穩定同位素, 與不穩定同位素 穩定同位素 化學元素中, 不易發生衰變或不會發生衰變的同位素, 且此種同位素在自然界中自然 存在的, 而一種同位素占整個元素的比例通常為定值 不穩定同位素 不穩定同位素, 又稱放射性同位素, 通常不存在於自然界中, 除非其壽命很長, 因為其不穩定所以帶有放射性射線, 時常以輻射的方式釋放出原子能量已趨於穩定, 此過程也稱為放射性衰變, 而某一核種 ( 由某種數目的中子所構成的原子核 ) 的穩定性與其原子核中的中子數與質子數的比值有關, 如, 當原子序小於時, 通常中子數較質子數多一個意即 時其原子核較穩定, 但原子序增加時, 其值由增加至為穩定帶, 比穩定的比值大或小的原子核都不穩定都具有放射性, 因為其核種不穩定, 所以原子核其內部需要釋放能量 粒子或射線 ( 如 α 粒子 β 射線 γ 射線等 ), 自然調整其的比值, 直到其形成穩定的核種為止 當原子序大於的原子核因為其庫倫排斥力太大, 所以都是為不穩定的同位素, 從原 子序的鉍到原子序的鈾都叫做天然的放射性元素, 是指地球形成的時候就存在於地球 上的放射性同位素 它們是大爆炸 超新星爆發等過程中產生的重元素, 在太陽系形成之前
就已經存在 註 ( 三 ) 人造放射性同位素的製造放射性同位素既然有天然性, 當然也有人造的, 自從放射性的原子核會因發生自然衰變而轉成另一種原子核被發現時, 一些科學家開始假定用一些微小的粒子當作子彈去撞擊原子核就可能引發原子核變化 最早以人工方式使原子核分裂的是歐尼斯特拉塞福在年, 他用 α 粒子撞擊氮原子核, 發現 α 粒子使氮原子核 分裂 而變成氧原子核的同位數 ( 質量數為 ) 和一個質子, 反應如下 α+ 14 7 17 8 + 但是氧的同位素是穩定的, 不具放射性, 但也從這刻開始以人工方式產生原子核反應與掀起一波熱潮 弗雷德里克約里奧居禮在研究能導致產生中子的核反應時, 他們用 α 粒子撞擊鋁的原子核, 卻得到一種自然界不存在的磷同位素, 而且此同位素的原子核並不穩定, 在幾分鐘內就放出一個電子形原子序為的, 因而發現可以用人工方式所製出具有放射性的同位素 如今, 因為這些科學家的研究成果, 所以人類就有可能可
以掌握更多種類 性質各異的人造放射性同位素, 到目前為止已有多種的人造放哨性同位素被應用在各領域, 包括醫學 農業 工業 軍事 放射性同位素的製備通常是以中子 質子 α 粒子或氘粒子去撞擊穩定的原子核, 使其形成不穩定的放射性核種, 目前製造放射性同位素主要有以下兩種方法 利用迴旋加速器製造放射性同位素, 如 迴旋加速器是一種能加速帶電離子的機器 因原子核帶正電, 質子 α 粒子也帶正電, 同性相斥, 所以需要大量能量才能使之穿入原子核中, 所以迴旋加速器利用磁場使運動中的帶電粒子迴轉, 並利用電極間的交錯變換, 使粒子於迴轉中不斷地獲得能量 最後, 粒子束經導引撞擊靶內物質, 可以產生新的核種 迴旋加速器示意 註 利用核反應器製造放射性同位素, 主要分為兩種方法 以中子撞擊原子核製造放射性同位素利用大量中子撞擊原子核的好處, 是因為中子 不帶電, 故不受原子核正電的排斥, 因而較容易靜入原子核內部 發生原子核分裂, 分離出其產物, 可得放射性同位素, 當質量較大的原子核被中子擊中時, 因為其核子結合能小較不穩定, 所以可以分裂為二個較輕的元素, 並釋出個中子, 且放出大量的能量 因為釋放出的中子數度較大, 故不易擊中原子核, 所以會利用石墨作為減速劑, 始中子減速為慢中子, 又稱熱中子, 經過減速的中子, 較容易撞到鈾, 而發生核分裂, 在核分裂時產生較輕元素的原子核具有放射性, 可將他們分離出來, 即可得到放射性同位素 此過程一再重複, 就產生越來越多的中子進而發生連鎖反應
為了使反應受控制, 所以會加入鎘棒或硼棒做為控制棒, 以吸收過多的中子 二 探討各領域放射線的應用 ( 一 ) 農業領域 放射性同位素在農業方面應用主要分為兩類, 包括同位素輻射與同位素示蹤劑, 同位素輻射利用放射性同位素放出的射線能量所造成的生物效應, 例如致死效應 絕育效應和誘變效應等, 而同位素示蹤劑是利用其標示特性, 以了解動植物的基本生理 生化過程 新陳代謝和營養攝取過程 同位素輻射 輻射照射乃是利用鈷釋出高能量的 γ 射線進行, 對生物體產生特定之生物化學效 應 基本上 輻射照射 乃是一種光波的照射, 被照射過的物體, 不會有放射線的殘留, 所 以不用特別擔心 輻射照射在農業上的應用如下表 使用目的 使用範圍 使用劑量 抑制發芽 馬鈴薯 甘藷 洋蔥 大蒜 以下 延長儲存期限 木瓜 芒果 以下 防治害蟲 米 煙草 紅豆 大豆 小麥 麵粉 以下 檢疫照射 果蔬檢疫照射等 以下 殺蟲滅菌 淡水魚殺滅中華肝吸蟲等 豬肉 以下 檢疫照射 果蔬檢疫照射等 以下 動物飼料減菌 動物飼料等 品種改良 冬瓜 稻米 輻射誘發育種之應用 放射性同位素所發出的輻射可以直接影響生物的遺傳產生突變而達到優良作物改良 上之應用, 經改良的作物可以提高農產品之品質 增加農產品之產量和弄作物抗病毒能力 輻射誘發育種成功實例 誘變個體經營養繁殖, 可大量繁殖商品化的營養系, 而菊花是台灣栽培面積最大的 花卉, 且菊花插穗無性繁殖, 極具誘變育種的潛力, 菊花利用 γ 射線期誘變出花色 變異品種 我國曾利用鈷 照射水稻, 進行品種改良, 效果顯著
輻射對於病蟲害的防治 利用放射性同位素所放出的輻射, 可以進一步膫解病菌變異的範圍也可以利用輻射滅蟲導致昆蟲不育 正常雌蟲同釋放的這些不育的雄蟲交配后所產的卵不能正常孵化 利用這種方法可降低害蟲的蟲口密度, 最終達到消滅害蟲的目的 目前在病蟲害遇到的難題是對於病菌的變異無法預測, 因位病菌可以利用雜交和突變的方式產生新的菌種, 增加其抵抗力 輻射對於病蟲害的防治成功實例 對於果蠅, 若將其蟲蛹機放射線輻射處理後, 羽化的成蟲會喪失生殖力, 將其是放 至水果 蔬菜產地, 可以大量降低蟲害 對於危害馬鈴薯的金線蟲若以兩萬倫琴之 γ 射線加以照射, 則金線蟲與與其蟲卵 都會被殺死, 將無法再繁殖 同位素示蹤劑 同位素示蹤劑同位素示蹤在農業生產和研究中得到了廣泛的應用 它主要應用於研究農作物的光合作用, 體內物質輸運, 肥料利用, 農藥殘留以及家畜的營養代謝等, 從而正確制定作物栽培管理和合理有效地施用肥料和農藥的措施, 對家畜的飼養和管理等提供科學依據 植物營養和生理代謝上的應用 利用放射性同位素做示蹤劑來作為植物其生理代謝的追蹤, 所使用的放射性同位素包括碳 鈉 鎂 磷 硫 鉀 鈣等, 其中以磷使用最為廣泛, 因為其半生期為天,β 射線能量較大, 沒有 γ 射線使用較為方便, 且為植物營養主要成分 利用放射性同位素做示蹤劑, 可將某放射性同位素, 讓植物經一段時間吸收後, 在測定其放射情況就可精確得知植物對某種礦物元素吸收率, 進而了解植物如何吸收營養或如何成長 動物營養和生理上的應用 利用放射性同位素做示蹤劑來作為動物體內各種營養及生理現象, 有進一步的膫解 目前利用碳 磷 碘等放射性同位素標示食物供應於人造瘤胃, 以了解其瘤胃之發酵產物 微生物, 進而選擇最佳飼料 除了選擇最佳飼料的用途, 放射性同位素也可以用來增加牲畜生產量, 例如 當天氣炎熱時, 牛隻產乳會因為其甲狀腺活性減少, 而產乳減少, 所以我們可以餵食牛隻微量放射性碘的同位素就可以提搞牛隻甲狀腺活性, 進而提高牛隻產乳量此方法也可以用在雞隻生蛋的產量 防止病蟲害的應用
放射性同位素做示蹤劑在農業上的用途還可以用來標示傳播病害的害蟲, 以研究 他們的遷徙習慣, 這樣可以較容易的控制蟲害 ( 二 ) 食品工業與醫學領域 食品工業 在食品工業商, 我們可以利用 γ 射線來幫助食品保存或防腐殺菌, 用放射線殺菌相比高溫殺菌的好處, 就是它不會使食物本質變質 利用鈷放射出來的 γ 射線就可以在常溫下殺菌 除了殺菌外, 適量的放射性射同位素所放射出來的 γ 射線也可用來保存食物, 例如 它可以使馬鈴薯發芽 註
醫學領域 核醫放射藥物主要有分為二部份 第一種是放射藥物可用來做功能性的檢查, 也就是說一個疾病在身體上造成功能性的變化時 ( 但尚未引起結構的改變 ) 即可被偵測出來 在臨床上這種功能性的檢查是一個非常重要的診斷工具 放射藥物另外的一個特點是它可用定量的方法來測量身體各種器官功能的變化情形 核醫藥物在診斷用途方面, 因所受的輻射量小, 均在可接受範圍內, 不會產生任何傷為用量極少, 病患害 第二種是治療用核醫藥物, 必須有足夠的輻射量, 殺死癌細胞, 所以病患所受的腫瘤局部輻射量較大, 但全身輻射劑量不會太高, 為了治病, 仍然可以接受 功能性的檢查 我們可以利用放射性同位素探測癌組織的卻位置, 或者各種器官組織機能測定或新陳代謝 另一種的功能就像是以一個示蹤劑來觀察人體活動過程, 以識別疾病病因或不正常的身體機能, 一般來說, 這個化合物及放射核種的化學量都非常小, 所以對人體不會造成很大的危害, 而且放射線同位素隨著時間自然會衰變而消失, 不會長期蓄積在體內 當這些放射性同位素劑如人體他們只會朝特定組織或特定種類細胞集中, 例如鈣磷只會集中在骨骼內 ; 而碘進入人體後只會往甲狀腺集中, 不會傷害到其他細胞 下列有常見的放射性同位素治療方法 碘 甲狀腺攝取檢查 甲狀腺組織是人體細胞中唯一可以攝取碘的器官 而且可以利用甲狀腺組織及分化良好之甲狀腺腫瘤細胞特別會攝取碘元素的特性 醫師也可以利用輻射偵測器探測 γ 放射線, 從體外偵測甲狀腺細胞攝取碘的數量以及範圍, 用來做碘全身掃描, 來偵測放射性物質在整個身體的分布, 如下, 此碘全身掃描結果顯示, 甲狀腺腫瘤復已轉移至 肺臟, 腰椎骨 等身體各部分 註
金 診斷癌症 首先以強力皮下注射器將放射性金注射到病人體內, 並將照相軟片放在病人感染區域加以偵測 ; 由於金的放射性, 可以使軟片感光, 讓一生做出最好的決定 此外為了防之傷害其他身體部位, 最好使用強度較低的 γ 放射線, 使其放射性在短時間內安全消失 臨床治療 把放射性同位素放置於細胞或器官內, 可以做為輻射源, 只要計算出人體所受最大劑量, 就可以利用放射性同位素放出的放射線, 高能量的放射線可以殺死體內細胞, 並防止它繼續生長與分裂, 放射線治療就是針對生長分裂比正常細胞快速的腫瘤來加以摧毀, 再加上正常細胞的修復能力較佳, 便可使癌細胞受到控制, 而且身體不會殘留輻射, 治療期間, 不需擔心與他人接觸, 因為它不會有任何放射性的危險 常用的輻射源包括碘 碘 磷和金 所採用的方式包括體內照射法 體外照射法 口服治療法 體內照射法 體內照射法又稱近接治療, 此治療法是將射源放在體內腫瘤處, 讓射源直接於體內產生輻射線照射腫瘤 近接治療有可細分腔內治療通常使用於子宮頸癌, 醫師放置一種稱為裝療器的中空管於體內腫瘤處, 再經由放射性同位素射源通過管腔來直接照射子宮頸的腫瘤, 並在治療結束後取出子宮腔內特殊中空管裝置即完成 註 體外照射法 體外照射法又稱遠隔治療, 這種方法是將輻射射源置於體外, 其所產生的輻射線由體外穿透身體並照射需要治療的範圍, 常見的治療儀器是直線加速器, 它能製造出具有不同特性的放射能量, 因此可提供多樣的選擇, 臨床上會根據腫瘤所在位置的深淺, 選擇適當能量及穿透深度的輻射線 還有一種較新的三度空間立體定位放射手術治療法, 是以鈷六十為射源, 放出所謂的 伽馬刀 ; 以直線加速器為放射源, 放出一種稱為 光子刀 的光子射線, 光子刀並不是利用手術刀進行真正的手術, 而是利用高科技將高能放射線聚焦集中於腫瘤區, 摧毀病原, 此 刀 乃強調其精準度, 用高速的電腦影像重組能力, 清楚的掌握腫瘤與正常組織的空間立體關係, 這樣便能做更精確的規劃, 使命中目標的誤差值降到
以下 也可以有效避免手術的危險性, 因此在臨床治療上受到廣大的肯定 註 註 口服治療法 將放射性同位素放在藥片內, 並讓患者吞食治病 例如 醫生可以給病患治療, 以口服碘膠囊方式為主, 因為為碘為放射性同位素, 會釋放出高能量 β 射線, 可針對吸收組織的周圍細胞進行破壞或殺死, 而甲狀腺組織與甲狀腺癌細胞具有高度攝取碘的特性, 故利用此來吸收碘並破壞殘餘的組織與癌細胞 ( 三 ) 交通軍事領域 放射性同位素在交通軍事方面的軍事產品主要分為兩大類, 第一種是以核能為動力的軍 事交通設備, 第二種是以原子核分裂的爆炸性連鎖反應所放出的巨大能量, 具有很強殺傷力 和摧毀力的原子彈 交通設備, 核動力潛水艇 年, 美國海軍的 鸚鵡螺 號潛艦服役, 開創核動力海軍時代 由於柴電潛艦始終為 換氣 問題所苦, 因為在水面下由電動馬達驅動, 潛航時間受到電池蓄電量的嚴重限制, 必須在一段時間之後浮出水面充電, 所以在充電的過程中非常容易遭到攻擊, 核動力潛水艇是以核反應爐為動力來源的潛艇, 由於核燃料具有極高的能量密度 ( 相當於倍燃油能量 ) 只需要裝載少量燃料, 便可提供極為持久的續航力, 目前核動力裝置可使潛艇的續航力達到百萬海里以上, 因此潛艦改用核子動力其性能是一般水面艦艇望其項背 核動力利用核反應來獲取能量的原理是 當分裂材料 ( 例如鈾 ) 在受人為控制的條件下發生核分裂時, 核能就會以熱的形式被釋放出來, 這
些熱量是用來驅動蒸汽機就可以直接提供動力, 也可以連接發電機來產生電能, 可說是一舉兩得 而軍事上用途的原子潛水艇的動力來源為輕水式反應器, 其反應過程是 核燃料在反應器內發生核反應產生的熱量是由核燃料鈾 -235 被中子擊中後發生裂變產生的 ( 核能轉換成了熱能 ), 釋放出巨大的熱量 ; 利用主循環的高壓水通過堆芯把熱量帶走 ; 把水加熱成蒸汽, 再使蒸汽帶動汽輪發電機發電機械能轉換成電能 ), 發出的交流電一部分供全艇用電, 另一部分被轉換成直流電後, 帶動直流電動機轉動使螺旋槳旋轉, 使潛艇移動 如左 ( 註 ) 原子彈 人類最早使用原子彈是利用原子核分裂的爆炸性連鎖反應所放出的巨大能量, 其核分裂物質為鈾, 最早使用原子彈的是美國所使用兩顆原子彈使日本投降 有關核分裂反應說明如下 首先, 要製造原子彈就必須要有相應的原料, 原子彈需要鈾和鈽, 天然的鈾礦石是很稀有, 而其中鈾的含量卻又僅有這麼可憐, 其餘均為非分裂的鈾, 所以, 要拿到鈾必須對鈾分離出去, 這個過程就叫鈾濃縮 而要促使核裂變的發生, 必須要在高溫高速的情況下衝擊原子核, 從而誘發裂變 核反應乃是由一個重原子分成, 大致質量相當的二個較輕原子核及若干個中子, 並釋放出大量能量然後形成如第頁所說的連鎖反應 一個鈾原子核的分裂可產生焦耳的能量, 千克鈾全部裂變釋放的能量差不多是焦耳約為千克炸藥爆炸釋放能量 ( 焦耳 ) 的萬倍 此時原子彈爆炸可以產生攝氏幾千萬度的高溫, 相當於太陽內部的高溫, 在此極高溫下, 所有產物都會被轉變為氣體, 產生極大的壓力, 此時氣體急速膨脹 壓縮, 進而產生爆炸波, 另外爆炸時, 所放出的放射線, 也可能造成生物性的傷害 參 結論 死亡, 不是最可怕的 ; 無知, 才是 人們對於放射性同位素總是抱持者害怕的心理, 殊不知放射性同位素已經被廣泛的使用在各領域, 我希望透過此論文讓人們更了解放射性同位素在各層面的應用 科學家的天職叫我們應當繼續奮鬥, 徹底揭示自然界的奧秘, 掌握這些奧秘以便能在將來造福人類 這句話是出自於居禮夫人, 雖然放射性同位素的應用不全於是幫助人類的, 也有像原子彈般劇也強大殺傷力及破壞力的用途, 正如愛因斯坦所說的 我不知道第三次世界大戰使用什麼武器, 但我知道第四次世界大戰用的是石頭 所以在軍事這方面也要嚴加控管, 但就像居禮夫人所說的, 今後科學家在這方面的突破一定會有更大的發展, 用來造福社會與人群 肆 參考資料 中華民國核能學會
原子彈的原理如此簡單易懂, 那麼製造原子彈到底難在了哪裡? 每日頭條 核潛艇台灣 放射同位素治療 核能知識行政院原子能委員會 農業科技產業情報站 輻射照射在農業上的應用臺中區農業改良場 放射性同位素在工業上的應用 - 科技大觀園 回旋加速器維基百科, 自由的百科全書 放射性元素簡介 電磁學 迴旋加速器 放射治療技術 作者自繪