淺談核物理學(xué)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

祝銘山 林 東

東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024

1 概述

核物理自誕生以來雖然只經(jīng)過短短百余年，卻已經(jīng)發(fā)展成了一門對政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和科技等各個方面都有重大影響的學(xué)科，和我們的生活也密不可分。核物理學(xué)又稱作原子核物理學(xué)，是物理學(xué)的一個重要分支，它主要研究各類次原子粒子和它們之間的關(guān)系，以及核能。核技術(shù)及其應(yīng)用的相關(guān)物理問題。本文就核物理學(xué)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用做一個簡單的介紹。

2 軍事領(lǐng)域

物理學(xué)自誕生以來便與軍事科學(xué)可謂唇齒相依，密不可分，核物理的進(jìn)步和軍事科技的發(fā)展是相互促進(jìn)的。它在軍事上最著名和最廣為人知的應(yīng)用便是核武器。其殺傷原理不同于傳統(tǒng)的化學(xué)炸藥，是利用能自持進(jìn)行核裂變或聚變反應(yīng)時瞬間釋放的光熱輻射、電磁脈沖、沖擊波和感生放射性造成殺傷性破壞作用，不但具有大規(guī)模破壞性，而且還會造成大面積的放射性污染。按照核武器釋放能量原理的角度，可以分為裂變型、聚變型和輻射型。

2.1 裂變型

最早的核武器—原子彈的釋放能量原理就是裂變型，目前原子彈的主要裝藥有鈾（U）235以及钚（Pu）239，而制造原子彈的最主要的難點(diǎn)在于其核裝藥的提純，因?yàn)樘烊烩?35的含量很?。ㄖ徽?. 711%），而鈾238占去了99. 284%，要讓鈾235達(dá)到武器級的濃度（90%），就必須將它提純。由于鈾（U）235和鈾（U）238是同位素，化學(xué)性質(zhì)完全一樣，所以用普通的化學(xué)方法是不能將他們分離的，而目前國際上通用的方法是氣體擴(kuò)散法，離心法和激光法，而氣體離心分離機(jī)則是提煉濃縮鈾最為常用的氣體離心法的關(guān)鍵設(shè)備，很多國家都將是否擁有濃縮鈾離心機(jī)來判斷是否進(jìn)行核武的研究。所以每次伊朗只要在離心機(jī)上出現(xiàn)什么風(fēng)吹草動都會挑動世界的神經(jīng)，也就不難理解了。另外一種原子彈的主要裝藥是钚（Pu）239，1945年7月第一次核試驗(yàn)以及投在日本長崎的內(nèi)爆式原子彈“胖子”都是使用的钚。钚可以在核子反應(yīng)堆的核廢料里提取出來，原理是用鈾和中子，借镎（Np）作中間體，產(chǎn)生β的衰變（β?）反應(yīng)合成，由于钚和鈾化學(xué)性質(zhì)不一樣，所以用化學(xué)方法能較方便的將钚提純，钚的主要同位素有钚（Pu）239，钚（Pu）238以及钚（Pu）240，其中钚（Pu）240很容易自發(fā)的裂變，這樣會造成中子通量的激增，所以钚（Pu）240影響钚作為核武器的適用性，所以钚（Pu）240的含量多寡決定了钚的分級，現(xiàn)在美國的分級標(biāo)準(zhǔn)一般是钚（Pu）240少于7%則視為武器級钚，大于19%則視為反應(yīng)堆級钚，介于其間的是燃料級钚。

2.2 聚變型

聚變型核彈分別有氫彈，中子彈，以及沖擊波彈等。它們是利用輕核子（比如氫的同位素氘（D）、氚（T））發(fā)生核聚變時釋放的巨大能量的核武器。氫彈也稱三相彈，是因?yàn)楸仨毜孟扔辛炎儺a(chǎn)生的高溫高壓才能讓輕核達(dá)到可以聚變的環(huán)境，因此目前所有的氫彈都是采用三相式的設(shè)計。氫彈還可以通過設(shè)法增加或減弱他的某些殺傷因素，以用于不同的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，比如中子彈，它就是小型的氫彈，理論上它的裂變成分極小，而聚變成分大，所以產(chǎn)生的中子流極強(qiáng)，可是造成的核輻射和沖擊波就相對弱了很多，又因?yàn)樗械碾娊赓|(zhì)可以吸收中子，人體內(nèi)又含有大量的水分，所以中子彈對人體的殺傷力非常大，卻不會對武器或者建筑物造成很大的傷害，這就是人們?yōu)槭裁闯Ｕf中子彈可以達(dá)到“殺人卻不毀物”的原因。再比如沖擊波彈，也是一種小型氫彈，它用慢化吸收中子技術(shù)來減弱中子活化，從而達(dá)到削弱輻射的作用，目的是讓部隊可以迅速進(jìn)入爆炸區(qū)。

2.3 電磁脈沖型

核電磁脈沖彈Electromagnetic Pulse（EMP），主要戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)是破壞敵人的電子設(shè)備，現(xiàn)在的戰(zhàn)爭是信息化的戰(zhàn)爭，如果電子通訊設(shè)備被毀壞，那么在戰(zhàn)場上就會處于極其被動的處境。而EMP正是迎合了這種戰(zhàn)場上的需求，她是利用在大氣層以上的核爆炸產(chǎn)生大量的極強(qiáng)的電磁脈沖使一定范圍內(nèi)的電子通信設(shè)備產(chǎn)生很高的瞬時高功率，從而將其燒毀。

2.4 其他類型

其他類型核武器的比如臟彈，其實(shí)它并不算嚴(yán)格意義上的核彈，只是借用化學(xué)爆炸將放射性污染物散布開來，達(dá)到放射性污染的目的。鈷核彈也同理，不過它是在原子彈殼上使用鈷元素，目的則是維持長時間的放射性核污染。

3 能源領(lǐng)域

美國投向日本長崎和廣島的核彈，讓人們第一次見識到核能的威力，也使得不少人“談核色變”，其實(shí)核能是一把雙刃劍，若是用于造福人類，核能也能發(fā)揮出其他能源所沒有的巨大的優(yōu)勢。

3.1 核電站

核電站是和平利用核能的一種最典型的方式，它的原理是利用鈾、钚等作核燃料在可控裂變反應(yīng)中將核能轉(zhuǎn)換為電能，雖然同核武器一樣都是利用重核的裂變能，但是因?yàn)楹穗娬臼褂玫暮巳剂现锈?35不足5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界值，所以核電站是不可能發(fā)生像核武器那樣的核爆炸的。相較傳統(tǒng)能源，核電顯示出了以下壓倒性的優(yōu)勢：不會像化石燃料那樣排放污染物，對環(huán)境影響??；核燃料能量密度極高，是高效能源；核電是安全能源，發(fā)生事故的可能性相對很小。雖然也發(fā)生過像美國三里島核事故，前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核事故以及311福島核電站核事故，但是相比起全球400余臺核電機(jī)組，1萬2千多反應(yīng)堆在數(shù)十年運(yùn)行歷史中，這樣的事故率已經(jīng)是非常的低了。加上核電站安全性會不斷提高，以后發(fā)生事故的可能性會更小。

其實(shí)現(xiàn)在核電已經(jīng)成為很多國家不可或缺的電力來源，比如在法國核電發(fā)電量占去總發(fā)電量的75.20%，其次是斯洛伐克，占53.50%，比利時51.70%，烏克蘭48.60%等等[1]。而在能源消費(fèi)方面，根據(jù)BP世界能源的統(tǒng)計，2011年世界一次能源消費(fèi)中石油依舊獨(dú)占鰲頭，占去總量的33.1%，緊隨其后的是煤炭，占30.3%，天然氣占23.7%，水電占6.4%，核能占4.9%，可再生能源僅占1.65%[2]。

3.2 核電池

核電池也稱放射性同位素電池，它主要是利用同位素在放射性衰變時放出的載粒子（比如α粒子，β粒子，γ射線）能量引發(fā)的電離效應(yīng)、光效應(yīng)或者熱效應(yīng)來產(chǎn)生電能的一種裝置。目前應(yīng)用最廣泛的是溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池[3]。其特點(diǎn)是重量輕體積小壽命長，而且能量來源穩(wěn)定，基本不受外界因素的影響。這些特點(diǎn)也決定了它能應(yīng)用在許多復(fù)雜甚至惡劣的環(huán)境中。以在航天領(lǐng)域的應(yīng)用為例，我國最新發(fā)射的玉兔號月球車上就用到核電池，因?yàn)樵谠铝恋囊雇硎锹L而寒冷的（能達(dá)到零下180°），這時候必須給儀器設(shè)備供暖，否則會被凍壞，而傳統(tǒng)的蓄電池根本無法在這惡劣的環(huán)境下工作，此時核電池成為首當(dāng)其選；再比如極地，深海，終年積雪的高山，荒漠等環(huán)境，如果要在這種惡劣環(huán)境下建立導(dǎo)航站氣象站，用核電池當(dāng)電源，可以常年不用維修更換；再比如生活方面，應(yīng)用在各種手提設(shè)備上，基本可以不用反復(fù)充電也無需更換電池；再比如醫(yī)學(xué)上的心臟起搏器，不難想象每更換一次心臟起搏器患者都得忍受多大的痛苦，冒著多大的生命危險，如果換成用核電池做心臟起搏器電源，可以滿足長時間不必更換這一決定性的優(yōu)點(diǎn)。此外核電池還可以應(yīng)用在交通工具上，軍事上，深?？茖W(xué)儀器等等方面。

4 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

其實(shí)早在1895年的時候德國物理學(xué)家倫琴便發(fā)現(xiàn)了X射線，而X射線的發(fā)現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)帶來了革命性的影響。時至今日相關(guān)的核物理技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。它的應(yīng)用主要在于三個方面：一是核醫(yī)學(xué)診斷；二是核物理治療技術(shù)；三是衛(wèi)生防護(hù)。

在診斷方面，它利用放射性核素去參與人體的代謝活動，從而探測出它們在體內(nèi)的行蹤、分布和代謝等情況，從而達(dá)到顯像和診斷的目的。隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步，物理技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也日新月異，如X射線計算機(jī)斷層掃描成像（簡稱CT），是較為早期的診斷方法；NMRI核磁共振成像，其特點(diǎn)是無輻射損傷，無試劑侵入并且可以從分子水平去診斷臟器系統(tǒng)等；單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像（SPECT），通常和CT配套使用，也是一種利用放射性核素的檢查方法，另一種ECT是利用正電子的，也就是正電子發(fā)射型計算機(jī)斷層顯像（PET），其特點(diǎn)是高靈敏度，高安全性，高特異性（比如能判斷腫瘤是良性還是惡性，這一點(diǎn)CT和NMRI則無法做到），并且一次掃描即可獲得全身各區(qū)域的成像。

在治療方面，其原理是利用輻射生物效應(yīng)。因?yàn)榉派湫陨渚€具有殺滅癌細(xì)胞的能力，通過射線可以達(dá)到抑制或者破壞病變細(xì)胞組織的目的。主要分內(nèi)照射治療和外照射治療，以及敷貼治療膠體治療等[4]。比如BNCT-硼中子俘獲治療法，先給病人注射含硼的特殊化合物，癌細(xì)胞很容易吸收該化合物，這時候再利用硼容易吸收中子的特性用中子射線照射，便可殺死癌細(xì)胞卻不會損害到周圍的細(xì)胞，從而達(dá)到治療目的；此外還有重離子放射線（HIMAC）治療技術(shù)，它的治療精度更高而且更安全，對周圍健康組織的傷害更小。

在衛(wèi)生防護(hù)方面，利用輻射源消毒殺菌在醫(yī)藥消毒保存等方面也已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并帶來了極大的社會價值。

5 工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

核物理在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：輻射加工、輻射探傷、物質(zhì)分析、輻射殺蟲、輻射消毒和輻射育種等。其中輻射加工屬于在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個極為重要的應(yīng)用被廣泛運(yùn)用于制造優(yōu)質(zhì)的熱收縮材料、發(fā)泡材料、高效電池隔膜、電纜橡膠硫化等。也可以用于食品滅菌保鮮和醫(yī)療器械的消毒等。離子束加工則是輻射加工的一個重要方面，它可以改進(jìn)甚至改變材質(zhì)的某些指標(biāo)，如離子注入金屬材料可以提高它的耐磨、抗氧化、抗腐蝕等，離子注入陶瓷甚至可以大大提高它的導(dǎo)電性。

而輻射探傷也是一個重要的應(yīng)用，比如在大型的部件（比如飛機(jī)，輪船，火箭的）或者大型工程（比如水壩）的檢測上，尤其用在特種構(gòu)件焊接質(zhì)量的精密檢測，大型構(gòu)件的裝配質(zhì)量監(jiān)測和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密檢測更顯重要[5]；而輻射探傷另一個重要的方法是中子照相，它可以用于檢測火藥，檢測航空發(fā)動機(jī)葉片，飛機(jī)油箱，檢測建筑物混凝土滲水滲油的特性，檢測核燃料棒的內(nèi)部情況等等。前不久新興起一種集裝箱的檢測方法—μ介子斷層掃描技術(shù)，它可以檢測到以前傳統(tǒng)的檢測技術(shù)檢測不出來的材料，比如把東西裝進(jìn)鉛盒里，X透視法就無能為力了，而μ介子則可以做到；它沒有輻射危害，檢測速度快，穿透力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在不久的未來將是一種較有應(yīng)用前景的安檢手段。

6 其他領(lǐng)域

比如在考古領(lǐng)域，核物理在考古領(lǐng)域的應(yīng)用主要有加速器質(zhì)譜儀（AMS）技術(shù)，它可以通過測定小樣品的14C含量來測地質(zhì)年份[6]?，F(xiàn)在最新的測量精度已經(jīng)達(dá)到了0.2%～03%，大大減小了14C測年的誤差[7]。

在環(huán)保領(lǐng)域，主要應(yīng)用在環(huán)境污染的治理，以及環(huán)境監(jiān)測保護(hù)等方面。在治理污染方面；比如在火電站工作時會排放大量的SO2，NOx氣體，用電子束煙氣脫硫技術(shù)[8]，可以使得煙氣中的SO2，NOx變成硫酸銨和硝酸銨，最終實(shí)現(xiàn)消除污染物，而且生成物還可以用作肥料，既消除了污染，又能廢物利用，一舉多得。而在環(huán)境監(jiān)測方面，其實(shí)在前面曾經(jīng)提到過的某些領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用也交叉應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測方面的，比如說裝有核電池的導(dǎo)航浮標(biāo)，放在深海的監(jiān)聽器，這些都是可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時的監(jiān)測。現(xiàn)在核技術(shù)已經(jīng)是環(huán)境監(jiān)測中不可或缺的一種重要手段。

7 結(jié)束語

自1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象以來才過去了短短百余年，核物理卻已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展，同時也和各個學(xué)科建立了廣泛的聯(lián)系，核技術(shù)不僅對我們的生活，也對世界的變化產(chǎn)生了巨大的深遠(yuǎn)的影響，展望未來，核技術(shù)將會繼續(xù)與各個學(xué)科的不斷的交叉滲透，造福世界，造福人類。

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