大学化学, 2021, 36(10): 2107036-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107036

 

放射性魔法学院之旅

林燕如, 张来英,, 朱亚先,

A Tour of the Radioactive Magic School

Lin Yanru, Zhang Laiying,, Zhu Yaxian,

通讯作者: Email: wuzhly@xmu.edu.cn (张来英)Email: yaxian@xmu.edu.cn (朱亚先)

第一联系人:

2018级本科生

收稿日期: 2021-07-7   接受日期: 2021-07-12  

基金资助: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2021年度教育部“基础学科拔尖学生培养计划2.0”研究课题

Received: 2021-07-7   Accepted: 2021-07-12  

Abstract

Radioactive elements have played an essential role in human life and production. Herein, this paper introduces the properties of several representative radioactive elements, and the applications of radioactive elements in life and production. Our aim is to make it easier for readers to understand in a more lively way.

Keywords: Radioactive elements ; Property ; Application

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林燕如, 张来英, 朱亚先. 放射性魔法学院之旅. 大学化学[J], 2021, 36(10): 2107036-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107036

Lin Yanru. A Tour of the Radioactive Magic School. University Chemistry[J], 2021, 36(10): 2107036-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107036

“日本政府无视国内国际舆论的质疑和反对,2021年4月13日在召开内阁会议后正式决定:将福岛第一核电站上百万吨核污水经过滤并稀释后排入大海,排放将于约2年后开始……”

我坐在餐桌前漫不经心地吃着晚饭,听着新闻联播。突然,我如同触电般:什么?把核污水排入大海?

晚上,我躺在床上辗转反侧:如果日本政府真把核污水排入大海,将会造成多大灾难?整个世界又将会变成……

1 好奇——伤心的小氚

“欢迎来到元素国。”我睁开眼睛,周围黑漆漆的,一个声音从天空传来。还没等我反应过来,一个小精灵出现在旁边:“我叫小化,你想去哪个元素的宫殿看看呢?”

我竟然穿越到了元素国!好神奇,仿佛是真的。

“我想去看看放射性元素。”

她有点吃惊:“多数人都对他们避而远之,呵呵,随我来吧。”

我们来到一座宫殿前。小化娓娓道来:“这里是放射性魔法学院,是放射性元素的聚集地。他们的原子核能自发地放出射线,拥有超能力‘放射性’[1]。这也是他们不同于元素国其他元素的地方。你可以选择一个元素附身,进入他的身体,感受他的情绪和想法,但是不能控制他。”

我正在犹豫,突然看见有个小朋友坐在台阶上哭泣。

他为什么哭呢?还没等我问,小化便说:“他叫小氚,是元素国的第1号居民氢的三兄弟之一,英文名字叫Tritium,也就是人类常说的超重氢,元素符号为T或者3H,原子核由一个质子和两个中子组成,并带有放射性,会发生β衰变,半衰期为12.43年[2]。”

“那他的兄弟呢?”我好奇地问道。

小化说:“小氚和他的二哥氘都能发生核聚变反应,是同班同学;而他的大哥氕没有放射性,不在本学院。”

我若有所思地点了点头:“就选小氚吧。”

于是,我进入小氚的身体,开始放射性魔法学院之旅。

2 沉默——自责的铀长老

“铃铃铃……”,上课铃声响了,大家都朝大会堂跑去。小氚抹了抹眼泪,跟着大家走进大会堂。

台上的一位老长老说道:“放射性魔法学院聚集了元素国所有拥有放射性超能力的元素,是公认的最厉害的魔法学院,成员分布在元素国的各个社区,主要集中在元素国第六周期的后半段和第七周期社区,当然也有一些较为分散。”

小氚的意识告诉我:这位是魔法学院的铀长老,是元素国的第92号居民,英文名为Uranium,得名于天王星的名字“Uranus”。早在1896年铀长老的放射性超能力就被一位叫A. H.贝可勒尔(Antoine Henri Becquerel)的人发现,随之放射性魔法学院成立[3]

“大家相聚在这里,都是因为放射性。在座的各位有些是天生就有放射性的,像我和钋、氡、钫、镭等元素;有些是人工合成的放射性元素,比如锝、钷、镅等。”铀长老在黑板上画下了放射性元素一览图,如图 1所示。

图1

图1   放射性元素一览图


“也许我们的队伍还会不断发展壮大。今年是放射性魔法学院成立125周年,咱们要庆祝一下。”

铀长老是个活泼可爱的小老头,浑身散发着银白色的光芒。

“大家知道,我很少独自出现,喜欢和好朋友如氧元素、氟元素等非金属元素一起散步。为了给今天的活动助兴,我和氧兄弟给大家表演川剧中的‘变脸’。”

铀长老说完,揽着氧元素形成深褐色接近黑色的二氧化铀;他的胳膊一伸,又拉上一个氧原子变脸为褐色的三氧化铀,只见他们抹了一下脸,霎时变为橙色,再一甩头变为亮黄色,又一转身变为红色、砖红色;最后又拉上几个兄弟姐妹形成橄榄绿和翠绿色的两种八氧化三铀[3]

台下响起热烈的掌声。

小氚对铀长老很崇拜,端正地坐好,期待着铀长老接下来的讲话。

铀长老收起姿势说道:“早期我和我的非金属元素朋友形成的五颜六色的化合物主要用于玻璃和陶瓷的着色。1938年O.哈恩(Otto Hahn)和F.施特拉斯曼(Fritz Strassmann)用中子轰击铀核发现核裂变同时释放出巨大能量,大家这才发现我的天赋[3]。”

铀长老沉默了几秒,继续说道:“自从人类发现了我在核武器方面的才能,他们就利用我制造原子弹。”

小氚告诉我,他和铀长老都曾经从事核武器方面的工作。核武器是利用原子核裂变或聚变反应,瞬时释放出巨大能量,产生爆炸作用,并具有大规模毁伤破坏效应的武器[4]

铀长老说:“我致力于核裂变工作,核裂变就是原子核在吸收一个中子后,分裂成两个或更多个质量较小的原子核,同时放出二个到三个中子和很大的能量,这个能量又能使别的原子核接着发生核裂变……”

“这就是链式反应,这个过程可以释放出巨大的能量。人们利用这个原理制造原子弹,这是第一代核武器[4]。”小化边说边在黑板上写出方程式:

$ {}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\text{}\text{+}\text{}{}_{\text{0}}^{\text{1}}\text{n}\text{}\text{→}\text{}{}_{\text{56}}^{\text{144}}\text{B}\text{a}\text{}\text{+}\text{}{}_{\text{36}}^{\text{89}}\text{K}\text{r}\text{}\text{+}\text{}\text{3}{}_{\text{0}}^{\text{1}}\text{n} $

“另一种核武器是氢弹,是通过核聚变反应制造的。小氚,你来讲一下什么是核聚变吧。”铀长老微笑地看着小氚。

小氚受宠若惊,连忙站起来说:“核聚变,是指氢原子核,主要是我和我的二哥氘,在极高的温度和压力下让核外电子摆脱原子核的束缚,使得两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核。”

“核聚变比核裂变释放的能量更大,人们利用它制造氢弹。核聚变对环境的污染较小,但是对反应条件和技术要求极高[4, 5]。”小化又在黑板上写出核聚变的方程式:

$ {}_{\text{1}}^{\text{2}}\text{H}\text{+}{}_{\text{1}}^{\text{3}}\text{H}\text{→}{}_{\text{2}}^{\text{4}}\text{H}\text{e +}{}_{\text{0}}^{\text{1}}\text{n} $

铀长老看了看坐在第一排的钚主任:“想当年,我和钚主任一起制造原子弹,是多么快乐和满足,憧憬着为人类做更大的贡献!”

我从小氚那了解到,钚主任是学院的教导主任,以严肃著称,元素符号为Pu,英文名是Plutonium,是一种超铀元素,住在元素王国第94号,属于锕系,半衰期为24万5千年,是铀长老的老邻居,经常一起工作[6]

“但是,我们被利用了,人类把原子弹用于战争……二战的时候,美国向日本的广岛和长崎分别投放了2枚原子弹——‘小男孩’与‘胖子’。广岛和长崎因原子弹爆炸死亡人数分别超过25万和14万,就算是幸存下来的人,也一直饱受疾病的折磨[1]。”

铀长老哽咽了,“他们还利用我制造了一种强力穿甲弹——贫铀弹,用于战争的同时还会造成严重的环境污染……”

“对此,我一直怀有一份深深的内疚,但是这一切都无法挽回了。”说到这,铀长老低下了头。

铀长老的情绪感染了大家,小氚与台下的人也都低下头,沉默不语。

3 自豪——学院的贡献

钚主任站了起来,说:“过去的都让它过去吧。虽然我们身上的这种放射性超能力会给人类带来伤害,但是也为人类做了很大的贡献,千万不要妄自菲薄。”

铀长老整理了一下情绪,又回到了平时那个亲切有趣的小老头形象,和刚刚自责的样子截然不同。

“是的,核反应是一把双刃剑,我们也为人类造福啊。拿我来说,1千克铀235完全裂变时产生的能量相当于2500吨煤呢,产生的能量要远远大于化石燃料[7]!”铀长老得意洋洋地说。

小氚也跟着自豪起来,悄悄地在心里为铀长老鼓了掌。

“为了更清楚地给大家展示我们的成果,现在请小化把我们带到学院成果展的现场吧!”

小化听到铀长老的召唤,立刻施法使大家瞬移到了成果展的现场。

3.1 工业成果——“功不可没”

展厅的展品琳琅满目,首先映入眼帘的是工业成果展——功不可没。

铀长老指着模型里的圆柱形建筑,说:“看,这就是核电站。”

“核电站是利用一座或多座动力反应堆发生链式裂变反应所产生的热能来发电的:用核反应堆来代替火力发电厂的锅炉,用核燃料在核反应堆中发生特殊形式的‘燃烧’产生热量,使核能转变成热能来加热水产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方[8]。”小化自觉地当起了解说员。

继续向前走,展台上摆着两个仪表,小氚好奇地问道:“这些仪表是做什么的呢?”

铀长老说:“这是放射性密度计和放射性厚度计,用于工业上测量密度和厚度。他们的工作原理都是利用了放射性。”

大家若有所思地点了点头。

3.2 农业成果——“硕果累累”

大家边听边走,不知不觉地来到了农业成果展——硕果累累。

展台上放置了各种各样的特殊“蔬菜”,这些蔬菜看起来比普通的要大很多。

铀长老看出了大家的震惊,说道:“我先来考考大家,放射性在农业上有什么用处呢?”

“放射性能让植物的遗传结构发生变异,培养出新的更优良的农作物品种!”

“我知道,我知道,放射性能杀死食物中的微生物、昆虫及高等生物体的细胞,让食物的保藏时间更长!”

“放射性还能参与同位素示踪,用来研究农作物的光合作用,体内物质输运,肥料利用,农药残留以及家畜的营养代谢[7]……”

大家争先恐后地抢答,铀长老频频点头。

“大家都说对了,给你们点赞!其实展台上这些蔬菜就是用辐射后的优良品种培育出来的,也叫太空蔬菜:就是将普通蔬菜种子搭载于航天卫星,经过太空失重、缺氧、宇宙射线等特殊环境变化,使其内部结构发生激变,返回地面后,再经过农业专家多年培育而成的蔬菜[7, 9]。”

“太空蔬菜吃起来和普通的有什么不同呢?”大家几乎异口同声地问道。

“要知道味道,就请大家品尝一下吧。”

大家争先恐后地拿起青椒送入口中:“哇,太空椒吃起来清香润滑、又鲜又嫩!”

小化补充道:“它的营养还更丰富呢!”

大家都开心地笑了。

3.3 考古展厅——“亘古通今”

在小化的带领下,大家移步到考古展厅——亘古通今。

考古展厅里摆满了各个年代的化石,俨然一个历史博物馆。大家左瞧瞧右看看,也没看出来这些化石和放射性有什么关系。

“大家好,我是14C老师。”大家正纳闷,14C老师走了进来。

铀长老说:“这是我们考古界的大名人,我们利用她进行断代,可以测定早至五万年前有机物质的年代,在考古界的地位举足轻重呢。”

听完铀长老的介绍,大家都不由自主地发出感叹。小氚也听得入了迷。

14C老师说:“活体生物体中含有14C和12C,且其比例一定,当生物死亡以后,碳循环中断,14C与氧气生成的二氧化碳被生物圈吸收,生物体中的14C含量会逐渐衰变,14C测年的原理就是通过测定化石中的14C含量,来推断化石的年龄[7, 9]。”

小化在黑板上写下计算公式:

$ t=\frac{{{t}_{{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}}{0.693}\text{ln}\frac{{{C}_{0}}}{{{C}_{t}}}$

14C老师补充说:“这里的t1/214C的半衰期5730年,C0是已知活体的14C的浓度,Ct是样品现在所测14C的浓度,代入公式就可以求出我们想要知道的化石的年龄了。”

小氚恍然大悟,高兴地跳了起来:“化石年龄,一测便知!”

14C老师欣慰地点了点头。

14C老师的带领下,大家参观了实验室,见识了14C测年的有趣和神奇。

3.4 核医学展——“医者仁心”

从考古展厅出来,便来到了核医学展厅——医者仁心。

“核医学是利用核技术来诊断、治疗和研究疾病的学科,是我们放射性魔法学院对人类的一个重要的贡献。”铀长老动情地说。

大家环顾四周,看见墙上挂满了核医学拯救过的病人的照片,都十分感慨。

这时,小化说道:“放射性同位素、由加速器产生的射线束及放射性同位素产生的核辐射都能用于核医学,比如碘能测定甲状腺的状态、铬能查出红细胞寿命等。”

小氚问:“核医学界最知名的放射性元素是谁呢?”

“当属镭院士啊!镭院士元素符号是Ra,英文名叫Radium,住在元素国第7周期,第IIA族,是第88号居民。镭院士作为纯的金属镭时几乎是无色的,但很活泼,很容易就与氮气、氧气、水和卤素等发生反应。镭院士这个活泼的性格和住在他楼上的钡弟弟很像,甚至他们盐的晶型都一样[10]。”

小化这一番介绍勾起了同学们的好奇心。

铀长老补充说:“镭院士是我们学院的传奇人物,他的放射性比我要强很多倍呢!当年,居里夫妇在一个工棚里,夜以继日地工作了三年零九个月,经历了一次又一次的试验,才从几吨沥青铀矿的矿渣中提取到0.1克的氯化镭,可以说是历尽艰辛啊!后来人类发现镭院士发出的辐射对发育迅速的细胞有特别强的抑制作用,因此就把这个特性用到了医学上[10]。”

“大家在说我什么坏话呢,这么开心。”一个声音从门口传来。

大家都朝门口看去,只见一位衣着干净朴素的老爷爷站在门口,和善地笑着。

“镭院士!”大家跑过去,紧紧握住镭院士的手。

“今天是放射性魔法学院成立125周年,我再忙也要来参加。刚刚有个病人病情很严重,需要我用放射性来帮助治疗。真不好意思,迟到了。”镭院士一脸歉意。

“您是我们学院的骄傲,给我们介绍一下您的研究领域吧。”铀长老说。

镭院士接过话说:“很幸运能在医学方面实现我的价值。我来带大家参观一下,这里展示的主要是在临床核医学方面的应用。”

“核医学上的诊断仪器包括脏器功能测定仪,如甲状腺功能测定仪、肾图仪等,以及脏器显像仪器,如单光子发射计算机断层成像术(SPECT)和正电子发射断层成像术(PET)等。”

镭院士指着一台仪器说道:“铀长老,请您过来,我帮您检查一下身体。”

只见铀长老服用下氟代脱氧葡萄糖——一种被短寿命的放射性核素18F标记过的葡萄糖,然后躺在PET上,镭院士操作着仪器。

“PET检查可以在临床早期诊断一些疾病,主要用在诊断肿瘤、心血管病和神经系统疾病等。随着技术的不断进步,人们把PET和电子计算机断层成像术(CT)整合,把核磁共振(NMR)和PET整合,提高了诊断的准确性。”镭院士边说边操作。

小化补充道:“身体内不同组织的代谢状态不同,在高代谢的恶性肿瘤组织中葡萄糖的代谢旺盛,所以标记物质会聚集较多。”

大家紧盯着屏幕,惊叹不已。

镭院士继续说:“从结果看,铀长老还是很健康的。”

镭院士和小化一起将铀长老从仪器上扶下来:“除了诊断,放射性还可以治疗癌症,也就是利用放射性把身体内的癌症细胞杀死。”

镭院士边说边带大家来到了癌症治疗中心,有些病人正在排队等待接受放疗。

小化说:“放疗是癌症治疗的主要手段之一,大约70%的癌症患者需要用到放疗,大约有40%的癌症可以用放疗进行根治[11]。”

镭院士望着那些病人,深情地说:“我还在继续努力,希望能让更多的人远离疾病、拥有健康。”

大家不由地向镭院士竖起了大拇指。

铀长老说道:“感谢镭院士!也感谢各位勤恳的工作!我们要继续努力,为人类发展做出更大贡献!我们的使命永远在路上!”

125周年院庆大会在大家的欢呼声和掌声中结束。

4 希望——美好的未来

大家陆续散去,小氚却迟迟没走。

铀长老走过去亲切地问道:“你刚才为什么哭呢?”

“长老,我有件很苦恼的事:日本政府竟要把没处理干净的核废水排入大海,我的放射性会危害人类的;他们还推出‘氚宝宝’的卡通形象,意图以此转移公众注意力。这真让我愤怒和伤心,可我又无能为力……”小氚带着哭腔说道。

铀长老摸了摸他的头,说:“我理解你的心情,你一直努力地造福人类。我们希望日本政府能悬崖勒马,不做害人害己的事情。如果这件事情真的发生了,人类的历史会记录下罪恶的无良政客,而不是被卷入本次事件的你。”

小氚抬起头,眼里的泪水映着点点灯光。

小化飘然而至,将我带离放射性魔法学院。

我突然惊醒,泪水沾湿了枕头。

太阳照进窗内,像往常一样温暖明亮。

……

参考文献

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