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人造放射性同位素

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人造放射性同位素（英語：Synthetic radioisotope），又稱人造放射性核種（英語：Synthetic radionuclide）、合成放射性同位素、合成放射性核種，亦可略稱為人造同位素/核種、合成同位素/核種，是指在自然界中不存在、只能經由人工合成的方法產生的核種，皆為放射性核種，由於這些核種的半衰期大都較短（遠短於地球的年齡），就算在地球形成時可能存在，至今也都已全部衰變殆盡，且現今自然界中也缺乏形成它們的途徑或機制，因此只能以核反應爐或粒子加速器等設備人工生產，或從用過核燃料中提取。[1]較知名的例子包括鈷-60、碘-131、銫-137等。與人造同位素相對的概念為天然同位素以及天然放射性同位素。

迄今發現的3000多種核種中，逾90%都屬於人造放射性核種，僅有少部分屬於穩定核種或天然放射性核種。[2][3]沒有天然同位素，即所有同位素均為人造同位素的元素稱作人造元素，例如鋂、鋦等，皆為超鈾元素。

生產

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核反應爐中核燃料的分裂和衰變過程會產生各種核種，其中大部分是放射性核種，因此從用過核燃料中可以提取出許多自然界中含量稀少或不存在的放射性核種，例如鍶-90、銫-137、鎝-99（英語：Technetium-99）和碘-129等，此外，用過核燃料中也能找到錼、鈽、鋂、鋦等超鈾元素的蹤跡，它們是核燃料中的鈾俘獲中子後經β衰變而產生的。[4]由這些化學性質及核性質各異的放射性核種所組成的複雜混合物使得核廢料和放射性塵埃的處理成為一大麻煩。

除了從核廢料中提取外，還可以在核反應爐中以中子照射靶核來生產放射性核種，例如鈷-60、碘-131、磷-32、鉈-201（英語：Thallium-201）、銥-192（英語：Iridium-192）和金-198等核種主要經由此法生產。[5][6]

也可以利用迴旋加速器、直線加速器等粒子加速器加速帶電粒子轟擊靶核來合成人造同位素，例如斷層掃描常使用的鉈-201、鎵-67、氧-15和氟-18等核種通常使用迴旋加速器製備。[7][8]原子序超過100的超鐨元素只能透過此途徑合成。[9]

放射性核種孳生器（英語：Radionuclide generator）是一種通過長壽放射性母核種的衰變來少量供給短壽命放射性核種的裝置，通常在核醫學中用於提供放射性藥物。[10]孳生器中含有半衰期較長的放射性母核種，放射性母核種衰變產生的放射性子核種則用於醫療用途。放射性母核種通常在核反應爐中生產。代表性的例子是核醫學診斷中常用的鎝-99m一般來自鎝-99m孳生器（英語：Technetium-99m generator），孳生器中使用的母核種為鉬-99。

用途

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絕大多數人造放射性同位素的半衰期都非常短，因此用途僅限於科學研究。不過雖然放射線對健康有害，但適量的放射線非常適合用於偵測、追蹤和試驗等方面，因此部分人造放射性同位素有許多醫療和工業用途。

核醫學

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核醫學領域中會使用多種放射性同位素進行診斷或治療。

診斷

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以含放射性同位素之化合物製成的放射性藥品作為示蹤劑，可用於觀測人體內各種器官系統的運作，提供臨床診斷之訊息。用作放射性示蹤劑的同位素通常半衰期很短，且衰變時會放出γ射線，高能量的γ射線穿過身體後被伽馬攝影機（英語：Gamma camera）捕捉，並根據收集到的放射線訊號造影成像。伽馬攝影機具有很高的探測效能，且用作示蹤劑的化合物通常會有效地集中在診斷的目標部位，因此所需的放射性物質的總量非常少，對人體不具危險性。常見的用例包括：

治療

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有些人造放射性同位素和化合物被用於放射治療，其釋放的放射線能夠破壞惡性細胞、抑制癌症病情，例如碘-131用於治療甲狀腺機能亢進和甲狀腺癌、鍶-90用於治療骨癌、錸-188和錸-186用於治療肝癌、鈷-60和銥-192等用於體內近接放射線治療等。[7][14][15][16]

工業

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人造放射性同位素在工業領域具有廣泛且關鍵的應用，主要涉及以下幾個方面：

無損檢測與質量控制

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利用放射性同位素髮出的γ射線進行工業放射攝影，可在不破壞材料的情況下檢測焊縫、鑄件和機械部件的內部缺陷，廣泛應用於石油、航空航天和建築等行業。

此外，核子儀表（如測厚儀、密度計和料位計）利用放射源對材料進行非接觸式測量，確保產品質量和生產效率，特別適用於高溫、高壓或腐蝕性環境。[17]

示蹤技術與流程監測

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放射性示蹤劑用於追蹤液體、氣體或顆粒在工業流程中的流動路徑，幫助識別洩漏、堵塞或磨損位置。在石油和天然氣行業中，此技術用於評估油藏滲透率和流體流動特性。[17]

放射線加工與材料改性

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通過放射線處理，放射性同位素可引發材料的化學或物理變化，用於：

  • 交聯聚合物（如電纜絕緣層）
  • 橡膠硫化
  • 泡沫塑膠生產
  • 表面硬化和塗層固化
  • 醫療用品和食品的滅菌

這些應用提高了材料性能，延長了產品壽命。[17]

能源供應與特殊電源

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放射性同位素電池（如鈽-238電池）利用放射性衰變釋放的能量，為太空飛行器、深海探測器和偏遠地區的設備提供長期穩定的電源，具有體積小、壽命長、無需維護等優點。[17]

5. 環境監測與污染治理

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放射性同位素技術用於監測工業排放中的有害物質，評估環境污染程度，並在廢水、廢氣處理過程中，通過放射線降解有機污染物，提升治理效率。[17]

6. 資源勘探與礦產分析

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在地質勘探中，放射性同位素用於測定礦石中的元素含量和分布，輔助尋找礦產資源，提高勘探的準確性和效率。

人造放射性同位素在工業中的應用涵蓋質量控制、流程監測、材料改性、能源供應、環境治理和資源勘探等多個領域，顯著提升了工業生產的安全性、效率和可持續性。[17]

參見

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參考文獻

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  1. ^ Radioisotopes. www.iaea.org. 2016-07-15 [2023-06-25]. （原始內容存檔於2023-07-31） （英語）. 
  2. ^ Radioactives Missing From The Earth. [失效連結]
  3. ^ NuDat 2 Description. [2 January 2016]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於6 January 2010）. 
  6. ^ Manual for reactor produced radioisotopes.. Vienna: IAEA. 2003 [2022-09-24]. ISBN 92-0-101103-2. （原始內容存檔於2018-11-18）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 葉錫溶 蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））. 
  8. ^ Cyclotron Produced Radionuclides: Physical Characteristics and Production Methods. Vienna: IAEA. 2009 [2022-09-24]. ISBN 978-92-0-106908-5. （原始內容存檔於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 (編). 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. （原始內容存檔於2023-05-04） （英語）. 
  10. ^ Rösch, F; Knapp, F F. Radionuclide Generators. Vértes, Attila; Nagy, Sándor; Klencsár, Zoltan; Lovas, Rezső G. (編). Handbook of Nuclear Chemistry: Radiochemistry and radiopharmaceutical chemistry in life sciences. Springer Science & Business Media. 2003. ISBN 9781402013164 （英語）. 
  11. ^ Production and Supply of Molybdenum-99 (PDF). IAEA. 2010 [4 March 2018]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-07-05）. 
  12. ^ 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 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 （英語）. 
  15. ^ The Tungsten-188 and Rhenium-188 Generator Information. Oak Ridge National Laboratory. 2005 [2008-02-03]. （原始內容存檔於2008-01-09）. 
  16. ^ Nuclear Wallet Cards. www.nndc.bnl.gov. [2025-01-16]. （原始內容存檔於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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