核物理学在各个领域的运用

　　1概述

　　核物理自诞生以来虽然只经过短短百余年，却已经发展成了一门对政治、军事、经济和科技等各个方面都有重大影响的学科，和我们的生活也密不可分。核物理学又称作原子核物理学，是物理学的一个重要分支，它主要研究各类次原子粒子和它们之间的关系，以及核能。核技术及其应用的相关物理问题。本文就核物理学在各个领域中的应用做一个简单的介绍。

　　2军事领域

　　物理学自诞生以来便与军事科学可谓唇齿相依，密不可分，核物理的进步和军事科技的发展是相互促进的。它在军事上最着名和最广为人知的应用便是核武器。其杀伤原理不同于传统的化学炸药，是利用能自持进行核裂变或聚变反应时瞬间释放的光热辐射、电磁脉冲、冲击波和感生放射性造成杀伤性破坏作用，不但具有大规模破坏性，而且还会造成大面积的放射性污染。按照核武器释放能量原理的角度，可以分为裂变型、聚变型和辐射型。

　　2.1裂变型

　　最早的核武器-原子弹的释放能量原理就是裂变型，目前原子弹的主要装药有铀（U）235以及钚（Pu）239,而制造原子弹的最主要的难点在于其核装药的提纯，因为天然铀235的含量很小（只占0.711%），而铀238占去了99.284%,要让铀235达到武器级的浓度（90%），就必须将它提纯。由于铀（U）235和铀（U）238是同位素，化学性质完全一样，所以用普通的化学方法是不能将他们分离的，而目前国际上通用的方法是气体扩散法，离心法和激光法，而气体离心分离机则是提炼浓缩铀最为常用的气体离心法的关键设备，很多国家都将是否拥有浓缩铀离心机来判断是否进行核武的研究。
　　
　　所以每次伊朗只要在离心机上出现什么风吹草动都会挑动世界的神经，也就不难理解了。另外一种原子弹的主要装药是钚（Pu）239,1945年7月第一次核试验以及投在日本长崎的内爆式原子弹"胖子"都是使用的钚。钚可以在核子反应堆的核废料里提取出来，原理是用铀和中子，借镎（Np）作中间体，产生β的衰变（β）反应合成，由于钚和铀化学性质不一样，所以用化学方法能较方便的将钚提纯，钚的主要同位素有钚（Pu）239,钚（Pu）238以及钚（Pu）240,其中钚（Pu）240很容易自发的裂变，这样会造成中子通量的激增，所以钚（Pu）240影响钚作为核武器的适用性，所以钚（Pu）240的含量多寡决定了钚的分级，现在美国的分级标准一般是钚（Pu）240少于7%则视为武器级钚，大于19%则视为反应堆级钚，介于其间的是燃料级钚。

　　2.2聚变型

　　聚变型核弹分别有氢弹，中子弹，以及冲击波弹等。

　　它们是利用轻核子（比如氢的同位素氘（D）、氚（T））发生核聚变时释放的巨大能量的核武器。氢弹也称三相弹，是因为必须得先有裂变产生的高温高压才能让轻核达到可以聚变的环境，因此目前所有的氢弹都是采用三相式的设以用于不同的战术环境，比如中子弹，它就是小型的氢弹，理论上它的裂变成分极小，而聚变成分大，所以产生的中子流极强，可是造成的核辐射和冲击波就相对弱了很多，又因为水中的电解质可以吸收中子，人体内又含有大量的水分，所以中子弹对人体的杀伤力非常大，却不会对武器或者建筑物造成很大的伤害，这就是人们为什么常说中子弹可以达到"杀人却不毁物"的原因。再比如冲击波弹，也是一种小型氢弹，它用慢化吸收中子技术来减弱中子活化，从而达到削弱辐射的作用，目的是让部队可以迅速进入爆炸区。

　　2.3电磁脉冲型

　　核电磁脉冲弹Electromagnetic Pulse（EMP），主要战术目标是破坏敌人的电子设备，现在的战争是信息化的战争，如果电子通讯设备被毁坏，那么在战场上就会处于极其被动的处境。而EMP正是迎合了这种战场上的需求，她是利用在大气层以上的核爆炸产生大量的极强的电磁脉冲使一定范围内的电子通信设备产生很高的瞬时高功率，从而将其烧毁。

　　2.4其他类型

　　其他类型核武器的比如脏弹，其实它并不算严格意义上的核弹，只是借用化学爆炸将放射性污染物散布开来，达到放射性污染的目的。钴核弹也同理，不过它是在原子弹壳上使用钴元素，目的则是维持长时间的放射性核污染。

　　3能源领域

　　美国投向日本长崎和广岛的核弹，让人们第一次见识到核能的威力，也使得不少人"谈核色变",其实核能是一把双刃剑，若是用于造福人类，核能也能发挥出其他能源所没有的巨大的优势。

　　3.1核电站

　　核电站是和平利用核能的一种最典型的方式，它的原理是利用铀、钚等作核燃料在可控裂变反应中将核能转换为电能，虽然同核武器一样都是利用重核的裂变能，但是因为核电站使用的核燃料中铀235不足5%,远远低于临界值，所以核电站是不可能发生像核武器那样的核爆炸的。

　　相较传统能源，核电显示出了以下压倒性的优势：不会像化石燃料那样排放污染物，对环境影响小；核燃料能量密度极高，是高效能源；核电是安全能源，发生事故的可能性相对很小。虽然也发生过像美国三里岛核事故，前苏联的切尔诺贝利核事故以及311福岛核电站核事故，但是相比起全球400余台核电机组，1万2千多反应堆在数十年运行历史中，这样的事故率已经是非常的低了。加上核电站安全性会不断提高，以后发生事故的可能性会更小。

　　其实现在核电已经成为很多国家不可或缺的电力来源，比如在法国核电发电量占去总发电量的75.20%,其次是斯洛伐克，占53.50%,比利时51.70%,乌克兰48.60%等等[1].而在能源消费方面，根据BP世界能源的统计，2011年世界一次能源消费中石油依旧独占鳌头，占去总量的33.1%,紧随其后的是煤炭，占30.3%,天然气占23.7%,水电占6.4%,核能占4.9%,可再生能源仅占1.65%[2].

　　3.2核电池

　　核电池也称放射性同位素电池，它主要是利用同位素在放射性衰变时放出的载粒子（比如α粒子，β粒子，γ射线）能量引发的电离效应、光效应或者热效应来产生电能的一种装置。目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池[3].其特点是重量轻体积小寿命长，而且能量来源稳定，基本不受外界因素的影响。这些特点也决定了它能应用在许多复杂甚至恶劣的环境中。以在航天领域的应用为例，我国最新发射的玉兔号月球车上就用到核电池，因为在月亮的夜晚是漫长而寒冷的（能达到零下180°），这时候必须给仪器设备供暖，否则会被冻坏，而传统的蓄电池根本无法在这恶劣的环境下工作，此时核电池成为首当其选；再比如极地，深海，终年积雪的高山，荒漠等环境，如果要在这种恶劣环境下建立导航站气象站，用核电池当电源，可以常年不用维修更换；再比如生活方面，应用在各种手提设备上，基本可以不用反复充电也无需更换电池；再比如医学上的心脏起搏器，不难想象每更换一次心脏起搏器患者都得忍受多大的痛苦，冒着多大的生命危险，如果换成用核电池做心脏起搏器电源，可以满足长时间不必更换这一决定性的优点。此外核电池还可以应用在交通工具上，军事上，深海科学仪器等等方面。

　　4医学领域

　　其实早在1895年的时候德国物理学家伦琴便发现了X射线，而X射线的发现，为医学带来了革命性的影响。

　　时至今日相关的核物理技术已经在医学领域得到了极为广泛的应用。它的应用主要在于三个方面：一是核医学诊断；二是核物理治疗技术；三是卫生防护。

　　在诊断方面，它利用放射性核素去参与人体的代谢活动，从而探测出它们在体内的行踪、分布和代谢等情况，从而达到显像和诊断的目的。随着物理学的不断发展进步，物理技术在医学上的应用也日新月异，如X射线计算机断层扫描成像（简称CT），是较为早期的诊断方法；NMRI核磁共振成像，其特点是无辐射损伤，无试剂侵入并且可以从分子水平去诊断脏器系统等；单光子发射计算机断层成像（SPECT），通常和CT配套使用，也是一种利用放射性核素的检查方法，另一种ECT是利用正电子的，也就是正电子发射型计算机断层显像（PET），其特点是高灵敏度，高安全性，高特异性（比如能判断肿瘤是良性还是恶性，这一点CT和NMRI则无法做到），并且一次扫描即可获得全身各区域的成像。

　　在治疗方面，其原理是利用辐射生物效应。因为放射性射线具有杀灭癌细胞的能力，通过射线可以达到抑制或者破坏病变细胞组织的目的。主要分内照射治疗和外照射治疗，以及敷贴治疗胶体治疗等[4].比如BNCT-硼中子俘获治疗法，先给病人注射含硼的特殊化合物，癌细胞很容易吸收该化合物，这时候再利用硼容易吸收中子的特性用中子射线照射，便可杀死癌细胞却不会损害到周围的细胞，从而达到治疗目的；此外还有重离子放射线（HIMAC）治疗技术，它的治疗精度更高而且更安全，对周围健康组织的伤害更小。

　　在卫生防护方面，利用辐射源消毒杀菌在医药消毒保存等方面也已经广泛应用，并带来了极大的社会价值。

　　5工农业领域

　　核物理在工农业领域的应用主要有：辐射加工、辐射探伤、物质分析、辐射杀虫、辐射消毒和辐射育种等。其中辐射加工属于在工农业领域一个极为重要的应用被广泛运用于制造优质的热收缩材料、发泡材料、高效电池隔膜、电缆橡胶硫化等。也可以用于食品灭菌保鲜和医疗器械的消毒等。离子束加工则是辐射加工的一个重要方面，它可以改进甚至改变材质的某些指标，如离子注入金属材料可以提高它的耐磨、抗氧化、抗腐蚀等，离子注入陶瓷甚至可以大大提高它的导电性。

　　而辐射探伤也是一个重要的应用，比如在大型的部件（比如飞机，轮船，火箭的）或者大型工程（比如水坝）的检测上，尤其用在特种构件焊接质量的精密检测，大型构件的装配质量监测和内部结构的精密检测更显重要[5];而辐射探伤另一个重要的方法是中子照相，它可以用于检测火药，检测航空发动机叶片，飞机油箱，检测建筑物混凝土渗水渗油的特性，检测核燃料棒的内部情况等等。前不久新兴起一种集装箱的检测方法-μ介子断层扫描技术，它可以检测到以前传统的检测技术检测不出来的材料，比如把东西装进铅盒里，X透视法就无能为力了，而μ介子则可以做到；它没有辐射危害，检测速度快，穿透力强，应用范围广，在不久的未来将是一种较有应用前景的安检手段。

　　6其他领域

　　比如在考古领域，核物理在考古领域的应用主要有加速器质谱仪（AMS）技术，它可以通过测定小样品的14C含量来测地质年份[6].现在最新的测量精度已经达到了0.2%~03%,大大减小了14C测年的误差[7].

　　在环保领域，主要应用在环境污染的治理，以及环境监测保护等方面。在治理污染方面；比如在火电站工作时会排放大量的SO2,NOx气体，用电子束烟气脱硫技术[8],可以使得烟气中的SO2,NOx变成硫酸铵和硝酸铵，最终实现消除污染物，而且生成物还可以用作肥料，既消除了污染，又能废物利用，一举多得。而在环境监测方面，其实在前面曾经提到过的某些领域的相关应用也交叉应用在环境监测方面的，比如说装有核电池的导航浮标，放在深海的监听器，这些都是可以实现对环境进行远程的实时的监测。现在核技术已经是环境监测中不可或缺的一种重要手段。

　　7结束语

　　自1896年贝克勒尔发现天然放射性现象以来才过去了短短百余年，核物理却已经得到了蓬勃的发展，同时也和各个学科建立了广泛的联系，核技术不仅对我们的生活，也对世界的变化产生了巨大的深远的影响，展望未来，核技术将会继续与各个学科的不断的交叉渗透，造福世界，造福人类。

　　参考文献：
　　[1]任德曦，肖东生，胡泊。世界核电布局走向及对我国核电布局的启示[J].南华大学学报（社会科学版），2013,14（5）：1-10.
　　[2]范世涛。世界能源格局：四大趋势[J].经济研究参考，2013（2）：17-41.
　　[3]郝少昌，卢振明，符晓铭等。核电池材料及核电池的应用[J].原子核物理评论，2006,23（3）：353-358.
　　[4]张伟建。核物理技术在我国医学上的应用[J].科技与产业，2010（3）：42-45.
　　[5]郑涛。核物理与工农业发展[J].物理，2012,41（5）：309-315.
　　[6]刘克新。加速器质谱及应用[J].现代仪器，2003（5）：1-4.
　　[7]周卫健，卢雪峰，武振坤等。核素分析的加速器质核素分析的加速器质谱仪[J].核技术，2007,30（8）：702-708.
　　[8]毛本将，丁伯南。电子束烟气脱硫技术及工业应用[J].环境保护，2004（9）：15-18.