216｜放射性（3）：诺贝尔物理学奖得主为什么会研究医学？

我是孙轶飞，欢迎来到《医学文明300讲》。

今天我们继续来聊放射性。

先问你一个问题，我现在喝了一杯盐水，盐水里的分子多长时间能到达我的手指尖呢？类似的问题显然对了解人体的生理机能意义重大，但明显超出了医学家的研究能力。

好在物理学家有思路，只要让盐具有放射性，然后追踪这些放射性物质，自然就能知道它们在人体中的扩散速度，进而了解各种分子在人体中的运行情况。今天我们就聊聊物理学家如何利用放射性物质研究人体生理学。

寻找合适的放射源

第一个要解决的问题是，怎么得到合适的放射性物质。

要知道，之前已经发现的X线和天然放射性元素都不合适。制造X线的原理是用仪器制造电子流撞击金属，激发金属释放X射线，只有在仪器工作的时候才能产生X线，关掉机器就没有了。

很明显，不可能在人体里放置能持续发射X线的装置，只能让人摄入那些自身就有放射性的元素。

你肯定想到了，居里夫人已经发现了天然放射性元素。只要得到纯净的天然放射性元素，就能得到持续、稳定的放射源，但是居里夫人发现的放射性元素一来提纯难度大，二来放射性太强，如果让人摄入确实有点危险。

同位素与人工放射性

于是科学家想到了第三条路——制造人工放射性元素。这里就涉及到了同位素的概念。质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。它们有的有放射性，有的就没有。

比如碳-12和碳-14都有6个质子，都是碳元素，但碳-12只有6个中子，是稳定同位素，没有放射性，而碳-14的原子核里有8个中子，内部的能量不稳定，所以会自发产生衰变，并释放出能量和粒子，所以碳-14是有放射性的放射性同位素。

简单地说，某一种元素是不是具有放射性，跟原子核里的质子和中子的数量有关系，那么只要用高能粒子撞击原子核，就能改变原子核的结构，制造出人工放射性元素。

居里夫妇与回旋加速器

1934年初，居里夫人的女儿伊蕾娜·居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956）、女婿约里奥·居里（Jean Frédéric Joliot-Curie，1900-1958）用α 射线轰击金属铝，制造出了历史上第一种人工放射性元素，他们也因为发现人工放射性获得了1935年的诺贝尔化学奖。

但是，伊蕾娜夫妇使用的α 射线并不是人工制造的，而是来自天然放射性物质。

有没有可能，用人工方法对粒子进行加速，然后用它轰击原子核呢？有。就在伊蕾娜·居里夫妇进行实验的几个月之后，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901-1958）用他发明的回旋加速器制造出了钠的放射性同位素钠-24。1939年，他因为发明回旋加速器获得了诺贝尔物理学奖。

非常重要的是，使用回旋加速器制造人工放射性元素，成本比提纯镭这样的天然放射性元素要低得多，这对技术推广来说同样极为重要。

五十秒的盐水追踪实验

得到了钠-24以后，物理学家欧内斯特·劳伦斯非常兴奋，他表示，自己终于可以研究医学啦，他相信钠-24一定能在诊断和治疗方面发挥大作用。

然后他设计了一个非常直观的实验，并在演讲里反复展示。他会让他的助手到讲台上，把手放在盖格计数器上，这是一种测量辐射剂量的设备。接下来，这位助手会喝下一杯含有钠-24的水，大约50秒以后，盖格计数器就会大叫起来。

从动态追踪到诊断技术

这个实验回答了我们一开始提到的问题，喝下一杯盐水，里面的分子需要多长时间才能扩散到手指尖呢？50秒。

这个实验虽然并不能观察人体的结构，但是能对人体运行的动态过程进行观察，这给医生们提供了全新的追踪手段。

我们之前提到过碳-14呼气试验，就是用放射性物质来检查是否存在幽门螺杆菌感染。由此可见，利用放射性物质，医生不但可以对人体的运行有更深刻的认识，而且还因此得到了很多新的诊断技术。

但欧内斯特认为，放射性在医学领域的应用远不止于此，他还想给病人进行治疗，但他的尝试失败了。

约翰与磷-32的治疗探索

于是美国医生约翰登场了，他同样在二十世纪三十年代开始了放射性在医学领域的研究。不过，人工放射性同位素在当时的物理学界也是前沿科技，约翰医生怎么能接触得到呢？

原因很简单，他的全名是约翰·劳伦斯（John H. Lawrence，1904-1991），是欧内斯特·劳伦斯的亲弟弟。

1934年，伊蕾娜·居里夫妇发现了放射性磷-32，约翰立刻意识到，这种物质可能会在治疗方面有用。他让哥哥想办法造一点出来，欧内斯特很快就满足了弟弟的要求。

约翰想用磷-32治疗癌症，这当然需要先进行动物实验。约翰先是在老鼠身上诱发出白血病，然后给这些老鼠注射了放射性磷-32，然后他发现，磷-32会聚集在老鼠身体中的特定部位，包括淋巴结和脾，而且得癌症的老鼠比健康老鼠的聚集程度更高。

这说明在癌症动物体内，放射性同位素会被有选择地吸收并定位。

临床尝试与劳伦斯兄弟救母

在约翰·劳伦斯看来，磷-32简直是天赐的抗肿瘤药物。只要把它注射到患者体内，它就会自动聚集在癌细胞最多的部位，通过辐射来消灭癌细胞。

然而，他在这一点上表现得不够谨慎。在动物实验还没完成的时候，他就已经开始在病人身上使用这种治疗方法。

1937年12月，约翰·劳伦斯给一名慢性白血病患者注射了磷-32，这是人类历史上第一次把人工放射性元素用于治疗疾病，为医学开辟了一个全新的领域。

同样是在1937年，劳伦斯兄弟的母亲被诊断出子宫癌，医生判断她大约只剩下3个月的生命，兄弟两人立刻展开了挽救母亲的行动。

弟弟找到了自己的合作伙伴罗伯特·斯通医生，使用哥哥欧内斯特的合作伙伴大卫·斯隆发明的放疗设备对母亲进行了治疗。经过治疗，这位母亲又活了15年，享年83岁。劳伦斯兄弟救母的故事也成了医学史上的一段佳话。

原子弹改变了公众认识

听到这里你可能感觉形势大好，放射性在医学领域的应用一定会迅速得到推广。但讽刺的是，正是哥哥欧内斯特亲手让全人类产生了对于放射性和原子能的巨大恐惧，对它在医学领域的发展制造了巨大障碍。

还记得那位在欧内斯特的演讲上喝盐水的助手吗？其实他的知名度远远高于欧内斯特，因为他的名字叫罗伯特·奥本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904-1967），人称“原子弹之父”。随着电影《奥本海默》的热映，近年来他的知名度更是水涨船高。

刚才我们讲到的内容，基本都发生在二十世纪三十年代，此时二战还没有爆发。而在二战期间，奥本海默主持了研发原子弹的曼哈顿计划，而且还让欧内斯特·劳伦斯参与其中。欧内斯特发明了电磁型同位素分离器，被广泛用于铀浓缩，对制造原子弹相当重要。

辐射风险认识的变化

1945年，两颗原子弹的爆炸改变了人们对于放射性的看法。在此之前，物理学家认为只有在短时间里接触大剂量放射性物质才会造成健康风险。

但是二战之后，医学家逐渐发现残留的辐射造成了大批白血病患者，也就是说，接触低剂量的放射性物质同样存在危险性。

与此同时，美国原子能委员会依然努力营造一种印象，放射性物质是治疗癌症的方法。但到了二十世纪五十年代，医学界已经普遍把放射性物质当成致癌物。

从核磁共振到磁共振

我给你举个例子，在曼哈顿计划中物理学家发明了一种新仪器，也就是今天大家很熟悉的核磁共振。这项技术刚被应用在医学界时美国人很抵触，日本人更抵触，原子弹留下的阴影实在太大了。

在二十世纪七八十年代，核磁共振的推广阻力极大，为了解决这个问题，各个厂家纷纷避开了“核”这个字，开始改用磁共振，此后磁共振才终于得以顺利推广，并逐渐成为了统一称呼。

检查提醒与合理使用

但事实上，核磁共振里的这个“核”（Nuclear）表示的是原子的自旋状态，根本就不是放射性，这项检查跟X线照相技术、CT技术的原理完全不同，整个过程里病人不会受到任何辐射。

不过需要注意的是，磁共振设备会产生强大的磁力，所以在检查的时候千万不能在身上携带金属物品，这一点可一定要听医生的话，切记切记！

当然，伴随着时间的发展，医学界对于放射性的危害与作用逐渐有了更为客观的认识，今天的医学界正努力在“诊断、治疗疾病”和“健康威胁”之间寻找平衡点，在保证患者不受伤害的情况下，科学合理地使用放射性物质。

总结

在二十世纪三十年代，放射性物质被应用在医学领域。欧内斯特·劳伦斯发明了回旋加速器，并获得了1939年诺贝尔物理学奖，这个发明可以让医生得到人工放射性物质。

利用放射性物质，研究者可以对生理学进行更为深入的研究。而欧内斯特的弟弟约翰则用放射性治疗癌症，在治疗方法上开辟了全新的领域。

思考题

最后给你留一个思考题，你对于利用放射性物质的诊断和治疗方式有什么看法呢？会对放射性相关的技术感到警惕吗？

欢迎你在评论区留言，把知识分享给我。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！