淺談核物理的發(fā)展與應用

袁鳳男

（蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215009）

淺談核物理的發(fā)展與應用

袁鳳男

（蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215009）

核物理領域自19世紀末開創(chuàng)以來，已經取得十足的發(fā)展。核物理的應用領域也是越來越廣泛，無論是在軍事、醫(yī)學、工業(yè)方面，核物理技術都起了重要的作用。

核物理；射線；核醫(yī)學技術

1 核物理的發(fā)展

1.1 核物理發(fā)展的開端

1896年，這一年通常被人們看作是核物理發(fā)展的開端。貝可勒爾發(fā)現天然放射性的原理，這是人們第一次觀察到的核變化。但貝克勒爾做實驗并不是為了發(fā)現放射性原理，他做了幾種實驗，一次偶然的機會，他把含鈾的石頭放在自己實驗室書桌的抽屜里，后來他發(fā)現石頭附近的照片底片變色了，因此他認為一定是石頭里發(fā)出了類似光的東西。后來，他通過實驗證明了自己的猜想。

1.2 核物理發(fā)展的初期階段

19世紀末到20世紀40年代是核物理發(fā)展的初期階段。在這一階段，對射線的研究一直都是重點。α、γ和β射線很快就被發(fā)現。α射線由高速運動的氦原子核（稱為α粒子）組成，它的貫穿本領最小，但電離作用最強。原子核自發(fā)發(fā)射α粒子的轉變稱為α衰變，原子核發(fā)生α衰變后，電荷數Z減少2，質子數A減少4。β射線是高速運動的電子流，它的貫穿本領比α射線強，但電離作用比α粒子弱。原子核自發(fā)發(fā)射β射線的轉變稱為β衰變，原子核發(fā)生衰變后，電荷數改變一個單位，質量不變。探測、記錄射線并測定其性質，一直是核物理研究和核技術應用的一個中心環(huán)節(jié)。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點。在原子核物理學領域，盧瑟福被稱為原子核物理學之父。1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測α射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結構，提出了原子結構的行星模型，這一成就為原子結構的研究奠定了基礎。此后不久，人們便初步弄清了原子的殼層結構和電子的運動規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀世界物質運動規(guī)律的量子力學。1919年，盧瑟福等又發(fā)現用α粒子轟擊氮核會放出質子，這是首次用人工實現的核蛻變。此后用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。

1.3 核物理發(fā)展的第二階段

20世紀40年代到50年代是核物理發(fā)展的第二階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現了核裂變現象；1942年，費米建立了第一個鏈式裂變反應堆，這是人類掌握核能源的開端。在該階段中，令人印象最深刻的應該是核裂變與核聚變的發(fā)展。1939年邁特納和弗里施首先建議用帶電液滴的分裂來解釋裂變現象，玻爾和惠勒在原子核液滴模型和統計理論的基礎上系統地研究了原子核的裂變過程，奠定了裂變理論的基礎。1940年，彼得·扎克和弗廖羅夫觀察到鈾核會自行發(fā)生裂變，從而發(fā)現了一種新的放射性衰變方式———自發(fā)裂變。核裂變很快被應用到軍事領域并成為毀滅性的武器。

1.4 核物理發(fā)展的第三階段

20世紀50年代至今是核物理發(fā)展的第三階段。粒子加速技術、高能物理的發(fā)展，使人們對核的研究和認識進入了一個新的階段。在這一階段，核物理在人類生產生活中的應用成為核物理研究發(fā)展的重要課題。

2 核物理的應用

核物理對人類的政治、經濟、軍事、科技等方面都產生了重大的影響，特別是核物理技術在各個領域的應用讓人類已經無法離開核物理技術。

2.1 醫(yī)學領域

射線在醫(yī)學領域應用極廣，這是基于人體組織經射線照射后會產生某些生理效應。射線可通過反應堆、加速器或放射性核素獲得。在病因、病理研究方面，利用放射性示蹤技術，使現代醫(yī)學能從分子水平動態(tài)地研究體內各種物質的代謝，使醫(yī)學研究中的難題不斷被攻破。例如弄清了與心血管疾病密切相關的膽固醇生物合成過程。

放射性原理在臨床診斷上的應用已經很普及，例如X射線透視機和醫(yī)用CT。1895年倫琴在研究稀薄氣體放電時發(fā)現了X射線。X射線發(fā)現后僅3個月就應用于臨床醫(yī)學研究，X射線透視是根據不同組織或臟器對X射線的衰減本領不同，強度均勻的X射線透過身體不同部位后的強度不同，透過人體的X射線投射到底片上，顯像后就可以觀察到各處明暗不同的像。X射線透視可以清楚地觀察到骨折的程度、肺結核病灶、體內腫瘤的位置和大小、臟器形狀以及斷定體內異物的位置等。X射線透視機已成為醫(yī)院的基本設備之一。

1972年英國EMI公司的電子工程師洪斯菲爾得在美國物理學家柯馬克1963年發(fā)表的數據重建圖像數學方法的基礎上，發(fā)明了X-CT，使醫(yī)學影像技術發(fā)生重大變革?，F在X-CT在全世界得到廣泛應用，柯馬克和洪斯菲爾得兩人也因此獲得1979年諾貝爾醫(yī)學生理獎。X-CT是利用X射線穿透人體某層面進行逐行掃描，探測器測量和記錄透過人體后的射線強度值，將這些強度值轉換為數碼信號，用計算機進行處理，在顯示器上就能顯示出該層面的切片圖。使用X-CT裝置，醫(yī)生可以在顯示器上看到各種臟器、骨骼形狀和位置的切片，大大提高了診斷的精確度。

X-CT的優(yōu)越性在于它可以清晰地顯示人體器官的各種斷面，避免產生影像的重疊。X-CT具有相當高的密度分辨率和一定的空間分辨率，對腦瘤的確診率可達95%。對已有病變腫瘤的大小和范圍顯示也很清楚，在一定程度上X-CT還可以區(qū)分腫瘤的性質。目前，醫(yī)用X-CT已成為臨床醫(yī)學診斷中最有效的手段之一。

而正電子發(fā)射斷層掃描（PET）是一種先進的核醫(yī)學技術，它的分辨率高，是目前唯一的活體分子生物學顯示技術。PET可以從基因水平診斷疾病。PET不僅可以生產放射性核素，還可用于腫瘤學、神經病學的研究，它可為病變的早期診斷、療效觀察提供可靠的依據。

放射性原理在臨床中主要用于癌癥治療，針對手術困難的疾病和部位（如腦瘤）而設計的粒子手術刀已得到了推廣，其中常用的有X光刀和γ光刀?？熘凶?、負π介子和重離子治癌也在進行，它們對某些抗拒γ射線的腫瘤有良好的效果，但是價格高昂，世界上已有許多實驗室在臨床使用。粒子手術刀對許多功能性疾病如腦血管病、惡痛、癲癇等也有很好的療效。另外，利用放射性原理可對醫(yī)療用品、器械進行輻射消毒，具有殺菌徹底、操作簡單等優(yōu)點。

2.2 軍事領域

核物理在軍事領域的應用就是我們所恐懼的核武器。核武器是利用核反應的光熱輻射、電磁脈沖、沖擊波和造成殺傷和破壞作用的武器。我們通常想到的是原子彈與氫彈，原子彈屬于裂變型核武器，氫彈屬于聚變型核武器。核武器對人類的傷害是不可估量的，人類第一次也是唯一一次在戰(zhàn)爭中使用核武器是在二戰(zhàn)時期，美國對日本投下了兩顆原子彈?，F在沒有任何國家敢在實戰(zhàn)中運用核武器，一旦爆發(fā)核戰(zhàn)爭，毀滅的將是整個世界。

2.3 能源領域

現在人類主要利用核能發(fā)電。在2013年，全世界正在運行的核電站共有438座，總發(fā)電量為353千兆瓦，占全世界發(fā)電量的16%。核能發(fā)電的能量來自核反應堆中可裂變材料（核燃料）進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應是指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應中，可裂變物的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變并放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，這種反應稱為鏈式裂變反應。實現鏈式反應是核能發(fā)電的前提。

2.4 工農業(yè)和其他領域

核物理在工農業(yè)領域的應用主要有：輻射加工、輻射探傷、物質分析、輻射殺蟲、輻射毒和輻射育種等。其中輻射加工被廣泛運用于制造優(yōu)質的熱收縮材料、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，它可以改進甚至改變材質的某些指標。另外，核物理在考古、環(huán)境治理等方面也發(fā)揮著獨特的作用。

3 核物理應用的啟示

核物理應用于人類生產生活的各個方面，我們既應該看到核物理給我們帶來的益處，也要看到核物理給我們人類生存帶來的威脅。如何正確地使用核物理技術是我們全人類應該思考的問題。在一百多年里，已經發(fā)生多次的核泄漏事件，其中包括著名的前蘇聯的切爾諾貝利核電站核泄漏。核泄漏事故后產生的放射污染相當于日本廣島原子彈爆炸產生的放射污染的100倍。全球共有20億人口受切爾諾貝利事故影響，27萬人因此患上癌癥，其中致死9.3萬人。專家估計，消除這場核泄漏的影響最少需要800年。

技術對于人類來說永遠是一把雙刃劍，關鍵在于我們如何運用。我們應該把研究的重點放在如何利用核物理技術促進社會發(fā)展，而不是去投入巨大的資金去發(fā)展核武器。核物理技術本身是中性的，沒有好壞善惡之分，我們不能因為它曾經給我們帶來災難而拋棄它，也不能因為它對人類的貢獻而去濫用它。

G420

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1671-1246（2017）04-0158-02