基于核物理发展与应用的研究

　　摘要：核物理领域自19世纪末开创以来, 已经取得十足的发展。核物理的应用领域也是越来越广泛, 无论是在军事、医学、工业方面, 核物理技术都起了重要的作用。

　　关键词：核物理; 射线; 核医学技术;

　　1 核物理的发展。

　　1.1 核物理发展的开端。

　　1896年, 这一年通常被人们看作是核物理发展的开端。贝可勒尔发现天然放射性的原理, 这是人们第一次观察到的核变化。但贝克勒尔做实验并不是为了发现放射性原理, 他做了几种实验, 一次偶然的机会, 他把含铀的石头放在自己实验室书桌的抽屉里, 后来他发现石头附近的照片底片变色了, 因此他认为一定是石头里发出了类似光的东西。后来, 他通过实验证明了自己的猜想。

　　1.2 核物理发展的初期阶段。

　　19世纪末到20世纪40年代是核物理发展的初期阶段。在这一阶段, 对射线的研究一直都是重点。α、γ和β射线很快就被发现。α射线由高速运动的氦原子核 (称为α粒子) 组成, 它的贯穿本领最小, 但电离作用最强。原子核自发发射α粒子的转变称为α衰变, 原子核发生α衰变后, 电荷数Z减少2, 质子数A减少4。β射线是高速运动的电子流, 它的贯穿本领比α射线强, 但电离作用比α粒子弱。原子核自发发射β射线的转变称为β衰变, 原子核发生衰变后, 电荷数改变一个单位, 质量不变。探测、记录射线并测定其性质, 一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。放射性衰变研究证明了一种元素可以通过衰变而变成另一种元素, 推翻了元素不可改变的观点。在原子核物理学领域, 卢瑟福被称为原子核物理学之父。1911年, 卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子, 观测α射线所发生的偏折, 从而确立了原子的核结构, 提出了原子结构的行星模型, 这一成就为原子结构的研究奠定了基础。此后不久, 人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律, 建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。1919年, 卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子, 这是首次用人工实现的核蜕变。此后用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。

　　1.3 核物理发展的第二阶段。

　　20世纪40年代到50年代是核物理发展的第二阶段。1939年, 哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象;1942年, 费米建立了第一个链式裂变反应堆, 这是人类掌握核能源的开端。在该阶段中, 令人印象最深刻的应该是核裂变与核聚变的发展。1939年迈特纳和弗里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象, 玻尔和惠勒在原子核液滴模型和统计理论的基础上系统地研究了原子核的裂变过程, 奠定了裂变理论的基础。1940年, 彼得·扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生裂变, 从而发现了一种新的放射性衰变方式———自发裂变。核裂变很快被应用到军事领域并成为毁灭性的武器。

　　1.4 核物理发展的第三阶段。

　　20世纪50年代至今是核物理发展的第三阶段。粒子加速技术、高能物理的发展, 使人们对核的研究和认识进入了一个新的阶段。在这一阶段, 核物理在人类生产生活中的应用成为核物理研究发展的重要课题。

　　2 核物理的应用。

　　核物理对人类的政治、经济、军事、科技等方面都产生了重大的影响, 特别是核物理技术在各个领域的应用让人类已经无法离开核物理技术。

　　2.1 医学领域。

　　射线在医学领域应用极广, 这是基于人体组织经射线照射后会产生某些生理效应。射线可通过反应堆、加速器或放射性核素获得。在病因、病理研究方面, 利用放射性示踪技术, 使现代医学能从分子水平动态地研究体内各种物质的代谢, 使医学研究中的难题不断被攻破。例如弄清了与心血管疾病密切相关的胆固醇生物合成过程。

　　放射性原理在临床诊断上的应用已经很普及, 例如X射线透视机和医用CT。1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现了X射线。X射线发现后仅3个月就应用于临床医学研究, X射线透视是根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同, 强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度不同, 透过人体的X射线投射到底片上, 显像后就可以观察到各处明暗不同的像。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。X射线透视机已成为医院的基本设备之一。

　　1972年英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔得在美国物理学家柯马克1963年发表的数据重建图像数学方法的基础上, 发明了X-CT, 使医学影像技术发生重大变革。现在X-CT在全世界得到广泛应用, 柯马克和洪斯菲尔得两人也因此获得1979年诺贝尔医学生理奖。X-CT是利用X射线穿透人体某层面进行逐行扫描, 探测器测量和记录透过人体后的射线强度值, 将这些强度值转换为数码信号, 用计算机进行处理, 在显示器上就能显示出该层面的切片图。使用X-CT装置, 医生可以在显示器上看到各种脏器、骨骼形状和位置的切片, 大大提高了诊断的精确度。

　　X-CT的优越性在于它可以清晰地显示人体器官的各种断面, 避免产生影像的重叠。X-CT具有相当高的密度分辨率和一定的空间分辨率, 对脑瘤的确诊率可达95%。对已有病变肿瘤的大小和范围显示也很清楚, 在一定程度上X-CT还可以区分肿瘤的性质。目前, 医用X-CT已成为临床医学诊断中最有效的手段之一。

　　而正电子发射断层扫描 (PET) 是一种先进的核医学技术, 它的分辨率高, 是目前唯一的活体分子生物学显示技术。PET可以从基因水平诊断疾病。PET不仅可以生产放射性核素, 还可用于肿瘤学、神经病学的研究, 它可为病变的早期诊断、疗效观察提供可靠的依据。

　　放射性原理在临床中主要用于癌症治疗, 针对手术困难的疾病和部位 (如脑瘤) 而设计的粒子手术刀已得到了推广, 其中常用的有X光刀和γ光刀。快中子、负π介子和重离子治癌也在进行, 它们对某些抗拒γ射线的肿瘤有良好的效果, 但是价格高昂, 世界上已有许多实验室在临床使用。粒子手术刀对许多功能性疾病如脑血管病、恶痛、癫痫等也有很好的疗效。另外, 利用放射性原理可对医疗用品、器械进行辐射消毒, 具有杀菌彻底、操作简单等优点。

　　2.2 军事领域。

　　核物理在军事领域的应用就是我们所恐惧的核武器。核武器是利用核反应的光热辐射、电磁脉冲、冲击波和造成杀伤和破坏作用的武器。我们通常想到的是原子弹与氢弹, 原子弹属于裂变型核武器, 氢弹属于聚变型核武器。核武器对人类的伤害是不可估量的, 人类第一次也是唯一一次在战争中使用核武器是在二战时期, 美国对日本投下了两颗原子弹。现在没有任何国家敢在实战中运用核武器, 一旦爆发核战争, 毁灭的将是整个世界。

　　2.3 能源领域。

　　现在人类主要利用核能发电。在2013年, 全世界正在运行的核电站共有438座, 总发电量为353千兆瓦, 占全世界发电量的16%。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料 (核燃料) 进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应是指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片, 同时放出中子和大量能量的过程。反应中, 可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗, 至少有一个中子能引起另一个原子核裂变, 这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。

　　3 核物理应用的启示。

　　核物理应用于人类生产生活的各个方面, 我们既应该看到核物理给我们带来的益处, 也要看到核物理给我们人类生存带来的威胁。如何正确地使用核物理技术是我们全人类应该思考的问题。在一百多年里, 已经发生多次的核泄漏事件, 其中包括着名的前苏联的切尔诺贝利核电站核泄漏。核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100倍。全球共有20亿人口受切尔诺贝利事故影响, 27万人因此患上癌症, 其中致死9.3万人。专家估计, 消除这场核泄漏的影响最少需要800年。

　　技术对于人类来说永远是一把双刃剑, 关键在于我们如何运用。我们应该把研究的重点放在如何利用核物理技术促进社会发展, 而不是去投入巨大的资金去发展核武器。核物理技术本身是中性的, 没有好坏善恶之分, 我们不能因为它曾经给我们带来灾难而抛弃它, 也不能因为它对人类的贡献而去滥用它。