袁鳳男

（蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

淺談核物理的發(fā)展與應(yīng)用

袁鳳男

（蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

核物理領(lǐng)域自19世紀(jì)末開(kāi)創(chuàng)以來(lái)，已經(jīng)取得十足的發(fā)展。核物理的應(yīng)用領(lǐng)域也是越來(lái)越廣泛，無(wú)論是在軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)方面，核物理技術(shù)都起了重要的作用。

核物理；射線(xiàn)；核醫(yī)學(xué)技術(shù)

1 核物理的發(fā)展

1.1 核物理發(fā)展的開(kāi)端

1896年，這一年通常被人們看作是核物理發(fā)展的開(kāi)端。貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性的原理，這是人們第一次觀(guān)察到的核變化。但貝克勒爾做實(shí)驗(yàn)并不是為了發(fā)現(xiàn)放射性原理，他做了幾種實(shí)驗(yàn)，一次偶然的機(jī)會(huì)，他把含鈾的石頭放在自己實(shí)驗(yàn)室書(shū)桌的抽屜里，后來(lái)他發(fā)現(xiàn)石頭附近的照片底片變色了，因此他認(rèn)為一定是石頭里發(fā)出了類(lèi)似光的東西。后來(lái)，他通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了自己的猜想。

1.2 核物理發(fā)展的初期階段

19世紀(jì)末到20世紀(jì)40年代是核物理發(fā)展的初期階段。在這一階段，對(duì)射線(xiàn)的研究一直都是重點(diǎn)。α、γ和β射線(xiàn)很快就被發(fā)現(xiàn)。α射線(xiàn)由高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核（稱(chēng)為α粒子）組成，它的貫穿本領(lǐng)最小，但電離作用最強(qiáng)。原子核自發(fā)發(fā)射α粒子的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為α衰變，原子核發(fā)生α衰變后，電荷數(shù)Z減少2，質(zhì)子數(shù)A減少4。β射線(xiàn)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，它的貫穿本領(lǐng)比α射線(xiàn)強(qiáng)，但電離作用比α粒子弱。原子核自發(fā)發(fā)射β射線(xiàn)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為β衰變，原子核發(fā)生衰變后，電荷數(shù)改變一個(gè)單位，質(zhì)量不變。探測(cè)、記錄射線(xiàn)并測(cè)定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)中心環(huán)節(jié)。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過(guò)衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀(guān)點(diǎn)。在原子核物理學(xué)領(lǐng)域，盧瑟福被稱(chēng)為原子核物理學(xué)之父。1911年，盧瑟福等人利用α射線(xiàn)轟擊各種原子，觀(guān)測(cè)α射線(xiàn)所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后不久，人們便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀(guān)世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)。1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊氮核會(huì)放出質(zhì)子，這是首次用人工實(shí)現(xiàn)的核蛻變。此后用射線(xiàn)轟擊原子核來(lái)引起核反應(yīng)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(jì)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(xiàn)了核裂變現(xiàn)象；1942年，費(fèi)米建立了第一個(gè)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆，這是人類(lèi)掌握核能源的開(kāi)端。在該階段中，令人印象最深刻的應(yīng)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(lái)解釋裂變現(xiàn)象，玻爾和惠勒在原子核液滴模型和統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了原子核的裂變過(guò)程，奠定了裂變理論的基礎(chǔ)。1940年，彼得·扎克和弗廖羅夫觀(guān)察到鈾核會(huì)自行發(fā)生裂變，從而發(fā)現(xiàn)了一種新的放射性衰變方式———自發(fā)裂變。核裂變很快被應(yīng)用到軍事領(lǐng)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(jì)50年代至今是核物理發(fā)展的第三階段。粒子加速技術(shù)、高能物理的發(fā)展，使人們對(duì)核的研究和認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。在這一階段，核物理在人類(lèi)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用成為核物理研究發(fā)展的重要課題。

2 核物理的應(yīng)用

核物理對(duì)人類(lèi)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技等方面都產(chǎn)生了重大的影響，特別是核物理技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用讓人類(lèi)已經(jīng)無(wú)法離開(kāi)核物理技術(shù)。

2.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

射線(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用極廣，這是基于人體組織經(jīng)射線(xiàn)照射后會(huì)產(chǎn)生某些生理效應(yīng)。射線(xiàn)可通過(guò)反應(yīng)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(shù)，使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)能從分子水平動(dòng)態(tài)地研究體內(nèi)各種物質(zhì)的代謝，使醫(yī)學(xué)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(guān)的膽固醇生物合成過(guò)程。

放射性原理在臨床診斷上的應(yīng)用已經(jīng)很普及，例如X射線(xiàn)透視機(jī)和醫(yī)用CT。1895年倫琴在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)。X射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)后僅3個(gè)月就應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究，X射線(xiàn)透視是根據(jù)不同組織或臟器對(duì)X射線(xiàn)的衰減本領(lǐng)不同，強(qiáng)度均勻的X射線(xiàn)透過(guò)身體不同部位后的強(qiáng)度不同，透過(guò)人體的X射線(xiàn)投射到底片上，顯像后就可以觀(guān)察到各處明暗不同的像。X射線(xiàn)透視可以清楚地觀(guān)察到骨折的程度、肺結(jié)核病灶、體內(nèi)腫瘤的位置和大小、臟器形狀以及斷定體內(nèi)異物的位置等。X射線(xiàn)透視機(jī)已成為醫(yī)院的基本設(shè)備之一。

1972年英國(guó)EMI公司的電子工程師洪斯菲爾得在美國(guó)物理學(xué)家柯馬克1963年發(fā)表的數(shù)據(jù)重建圖像數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)上，發(fā)明了X-CT，使醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)生重大變革?，F(xiàn)在X-CT在全世界得到廣泛應(yīng)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(xué)生理獎(jiǎng)。X-CT是利用X射線(xiàn)穿透人體某層面進(jìn)行逐行掃描，探測(cè)器測(cè)量和記錄透過(guò)人體后的射線(xiàn)強(qiáng)度值，將這些強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(chǎn)生影像的重疊。X-CT具有相當(dāng)高的密度分辨率和一定的空間分辨率，對(duì)腦瘤的確診率可達(dá)95%。對(duì)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(zhì)。目前，醫(yī)用X-CT已成為臨床醫(yī)學(xué)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(jìn)的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，它的分辨率高，是目前唯一的活體分子生物學(xué)顯示技術(shù)。PET可以從基因水平診斷疾病。PET不僅可以生產(chǎn)放射性核素，還可用于腫瘤學(xué)、神經(jīng)病學(xué)的研究，它可為病變的早期診斷、療效觀(guān)察提供可靠的依據(jù)。

放射性原理在臨床中主要用于癌癥治療，針對(duì)手術(shù)困難的疾病和部位（如腦瘤）而設(shè)計(jì)的粒子手術(shù)刀已得到了推廣，其中常用的有X光刀和γ光刀。快中子、負(fù)π介子和重離子治癌也在進(jìn)行，它們對(duì)某些抗拒γ射線(xiàn)的腫瘤有良好的效果，但是價(jià)格高昂，世界上已有許多實(shí)驗(yàn)室在臨床使用。粒子手術(shù)刀對(duì)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(duì)醫(yī)療用品、器械進(jìn)行輻射消毒，具有殺菌徹底、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 軍事領(lǐng)域

核物理在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用就是我們所恐懼的核武器。核武器是利用核反應(yīng)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(duì)人類(lèi)的傷害是不可估量的，人類(lèi)第一次也是唯一一次在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用核武器是在二戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)對(duì)日本投下了兩顆原子彈?，F(xiàn)在沒(méi)有任何國(guó)家敢在實(shí)戰(zhàn)中運(yùn)用核武器，一旦爆發(fā)核戰(zhàn)爭(zhēng)，毀滅的將是整個(gè)世界。

2.3 能源領(lǐng)域

現(xiàn)在人類(lèi)主要利用核能發(fā)電。在2013年，全世界正在運(yùn)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(lái)自核反應(yīng)堆中可裂變材料（核燃料）進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)是指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過(guò)程。反應(yīng)中，可裂變物的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變并放出兩三個(gè)中子。若這些中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂變，這種反應(yīng)稱(chēng)為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。

2.4 工農(nóng)業(yè)和其他領(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(chóng)、輻射毒和輻射育種等。其中輻射加工被廣泛運(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)療器械消毒等。離子束加工則是輻射加工的一個(gè)重要方面，它可以改進(jìn)甚至改變材質(zhì)的某些指標(biāo)。另外，核物理在考古、環(huán)境治理等方面也發(fā)揮著獨(dú)特的作用。

3 核物理應(yīng)用的啟示

核物理應(yīng)用于人類(lèi)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，我們既應(yīng)該看到核物理給我們帶來(lái)的益處，也要看到核物理給我們?nèi)祟?lèi)生存帶來(lái)的威脅。如何正確地使用核物理技術(shù)是我們?nèi)祟?lèi)應(yīng)該思考的問(wèn)題。在一百多年里，已經(jīng)發(fā)生多次的核泄漏事件，其中包括著名的前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站核泄漏。核泄漏事故后產(chǎn)生的放射污染相當(dāng)于日本廣島原子彈爆炸產(chǎn)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(wàn)人因此患上癌癥，其中致死9.3萬(wàn)人。專(zhuān)家估計(jì)，消除這場(chǎng)核泄漏的影響最少需要800年。

技術(shù)對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)永遠(yuǎn)是一把雙刃劍，關(guān)鍵在于我們?nèi)绾芜\(yùn)用。我們應(yīng)該把研究的重點(diǎn)放在如何利用核物理技術(shù)促進(jìn)社會(huì)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(shù)本身是中性的，沒(méi)有好壞善惡之分，我們不能因?yàn)樗?jīng)給我們帶來(lái)災(zāi)難而拋棄它，也不能因?yàn)樗鼘?duì)人類(lèi)的貢獻(xiàn)而去濫用它。

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1671-1246（2017）04-0158-02