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人造放射性同位素

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人造放射性同位素（英语：Synthetic radioisotope），又称人造放射性核素（英语：Synthetic radionuclide）、合成放射性同位素、合成放射性核素，亦可略称为人造同位素/核素、合成同位素/核素，是指在自然界中不存在、只能经由人工合成的方法产生的核素，皆为放射性核素，由于这些核素的半衰期大都较短（远短于地球的年龄），就算在地球形成时可能存在，至今也都已全部衰变殆尽，且现今自然界中也缺乏形成它们的途径或机制，因此只能以核反应堆或粒子加速器等设备人工生产，或从乏核燃料中提取。[1]较知名的例子包括钴-60、碘-131、铯-137等。与人造同位素相对的概念为天然同位素以及天然放射性同位素。

迄今发现的3000多种核素中，逾90%都属于人造放射性核素，仅有少部分属于稳定核素或天然放射性核素。[2][3]没有天然同位素，即所有同位素均为人造同位素的元素称作人造元素，例如镅、锔等，皆为超铀元素。

生产

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核反应堆中核燃料的裂变和衰变过程会产生各种核素，其中大部分是放射性核素，因此从乏核燃料中可以提取出许多自然界中含量稀少或不存在的放射性核素，例如锶-90、铯-137、锝-99（英语：Technetium-99）和碘-129等，此外，乏核燃料中也能找到镎、钚、镅、锔等超铀元素的踪迹，它们是核燃料中的铀俘获中子后经β衰变而产生的。[4]由这些化学性质及核性质各异的放射性核素所组成的复杂混合物使得核废料和放射性尘埃的处理成为一大麻烦。

除了从核废料中提取外，还可以在核反应堆中以中子照射靶核来生产放射性核素，例如钴-60、碘-131、磷-32、铊-201（英语：Thallium-201）、铱-192（英语：Iridium-192）和金-198等核素主要经由此法生产。[5][6]

也可以利用回旋加速器、直线加速器等粒子加速器加速带电粒子轰击靶核来合成人造同位素，例如断层扫描常使用的铊-201、镓-67、氧-15和氟-18等核素通常使用回旋加速器制备。[7][8]原子序超过100的超镄元素只能透过此途径合成。[9]

放射性核素孳生器（英语：Radionuclide generator）是一种通过长寿放射性母核素的衰变来少量供给短寿命放射性核素的装置，通常在核医学中用于提供放射性药物。[10]孳生器中含有半衰期较长的放射性母核素，放射性母核素衰变产生的放射性子核素则用于医疗用途。放射性母核素通常在核反应堆中生产。代表性的例子是核医学诊断中常用的锝-99m一般来自锝-99m孳生器（英语：Technetium-99m generator），孳生器中使用的母核素为钼-99。

用途

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绝大多数人造放射性同位素的半衰期都非常短，因此用途仅限于科学研究。不过虽然辐射对健康有害，但适量的辐射非常适合用于侦测、追踪和试验等方面，因此部分人造放射性同位素有许多医疗和工业用途。

核医学

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核医学领域中会使用多种放射性同位素进行诊断或治疗。

诊断

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以含放射性同位素之化合物制成的放射性药品作为示踪剂，可用于观测人体内各种器官系统的运作，提供临床诊断之讯息。用作放射性示踪剂的同位素通常半衰期很短，且衰变时会放出γ射线，高能量的γ射线穿过身体后被伽马摄影机（英语：Gamma camera）捕捉，并根据收集到的辐射讯号造影成像。伽马摄影机具有很高的探测效能，且用作示踪剂的化合物通常会有效地集中在诊断的目标部位，因此所需的放射性物质的总量非常少，对人体不具危险性。常见的用例包括：

治疗

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有些人造放射性同位素和化合物被用于放射治疗，其释放的辐射能够破坏恶性细胞、抑制癌症病情，例如碘-131用于治疗甲状腺机能亢进和甲状腺癌、锶-90用于治疗骨癌、铼-188和铼-186用于治疗肝癌、钴-60和铱-192等用于体内近接辐射治疗等。[7][14][15][16]

工业

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人造放射性同位素在工业领域具有广泛且关键的应用，主要涉及以下几个方面：

无损检测与质量控制

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利用放射性同位素发出的γ射线进行工业放射摄影，可在不破坏材料的情况下检测焊缝、铸件和机械部件的内部缺陷，广泛应用于石油、航空航天和建筑等行业。

此外，核子仪表（如测厚仪、密度计和料位计）利用放射源对材料进行非接触式测量，确保产品质量和生产效率，特别适用于高温、高压或腐蚀性环境。[17]

示踪技术与流程监测

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放射性示踪剂用于追踪液体、气体或颗粒在工业流程中的流动路径，帮助识别泄漏、堵塞或磨损位置。在石油和天然气行业中，此技术用于评估油藏渗透率和流体流动特性。[17]

辐射加工与材料改性

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通过辐射处理，放射性同位素可引发材料的化学或物理变化，用于：

  • 交联聚合物（如电缆绝缘层）
  • 橡胶硫化
  • 泡沫塑料生产
  • 表面硬化和涂层固化
  • 医疗用品和食品的灭菌

这些应用提高了材料性能，延长了产品寿命。[17]

能源供应与特殊电源

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放射性同位素电池（如钚-238电池）利用放射性衰变释放的能量，为航天器、深海探测器和偏远地区的设备提供长期稳定的电源，具有体积小、寿命长、无需维护等优点。[17]

5. 环境监测与污染治理

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放射性同位素技术用于监测工业排放中的有害物质，评估环境污染程度，并在废水、废气处理过程中，通过辐射降解有机污染物，提升治理效率。[17]

6. 资源勘探与矿产分析

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在地质勘探中，放射性同位素用于测定矿石中的元素含量和分布，辅助寻找矿产资源，提高勘探的准确性和效率。

人造放射性同位素在工业中的应用涵盖质量控制、流程监测、材料改性、能源供应、环境治理和资源勘探等多个领域，显著提升了工业生产的安全性、效率和可持续性。[17]

参见

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参考文献

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  1. ^ Radioisotopes. www.iaea.org. 2016-07-15 [2023-06-25]. （原始内容存档于2023-07-31） （英语）. 
  2. ^ Radioactives Missing From The Earth. [失效链接]
  3. ^ NuDat 2 Description. [2 January 2016]. （原始内容存档于2016-12-23）. 
  4. ^ Moyer, Bruce A. Ion Exchange and Solvent Extraction: A Series of Advances, Volume 19. CRC Press. 2009: 120. ISBN 9781420059700. 
  5. ^ Radioisotope Production. Brookhaven National Laboratory. 2009. （原始内容存档于6 January 2010）. 
  6. ^ Manual for reactor produced radioisotopes.. Vienna: IAEA. 2003 [2022-09-24]. ISBN 92-0-101103-2. （原始内容存档于2018-11-18）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 叶锡溶 蔡长书. 放射化學（第二版）. 台湾台北县: 新文京开发出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（台湾））. 
  8. ^ Cyclotron Produced Radionuclides: Physical Characteristics and Production Methods. Vienna: IAEA. 2009 [2022-09-24]. ISBN 978-92-0-106908-5. （原始内容存档于2018-11-18）. 
  9. ^ Luig, Heribert; Keller, Cornelius; Wolf, Walter; Shani, Jashovam; Miska, Horst; Zyball, Alfred; Gervé, Andreas; Balaban, Alexandru T.; Kellerer, Albrecht M. Radionuclides. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (编). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2000-06-15 [2025-01-16]. ISBN 978-3-527-30673-2. doi:10.1002/14356007.a22_499. （原始内容存档于2023-05-04） （英语）. 
  10. ^ Rösch, F; Knapp, F F. Radionuclide Generators. Vértes, Attila; Nagy, Sándor; Klencsár, Zoltan; Lovas, Rezső G. (编). Handbook of Nuclear Chemistry: Radiochemistry and radiopharmaceutical chemistry in life sciences. Springer Science & Business Media. 2003. ISBN 9781402013164 （英语）. 
  11. ^ Production and Supply of Molybdenum-99 (PDF). IAEA. 2010 [4 March 2018]. （原始内容存档 (PDF)于2017-07-05）. 
  12. ^ 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  13. ^ Volterrani, Duccio; Erba, Paola Anna; Carrió, Ignasi; William Strauss, H.; Mariani, Giuliano. Nuclear Medicine Textbook: Methodology and Clinical Applications. 10 August 2019. ISBN 978-3-319-95564-3. 
  14. ^ R. Dilworth, Jonathan; J. Parrott, Suzanne. The biomedical chemistry of technetium and rhenium. Chemical Society Reviews. 1998, 27 (1): 43–55. ISSN 0306-0012. doi:10.1039/a827043z （英语）. 
  15. ^ The Tungsten-188 and Rhenium-188 Generator Information. Oak Ridge National Laboratory. 2005 [2008-02-03]. （原始内容存档于2008-01-09）. 
  16. ^ Nuclear Wallet Cards. www.nndc.bnl.gov. [2025-01-16]. （原始内容存档于2025-02-05）. 
  17. ^ 17.0 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 一文读懂：放射性同位素的应用 - 中国核技术网. www.ccnta.cn. [2025-05-27]. 
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