核與粒子物理技術(shù)與裝置在國(guó)防、醫(yī)療等非科技領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘要：當(dāng)今世界，核與粒子物理技術(shù)扮演者越來(lái)越重要的角色。它除了用于研究微觀粒子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)外，在國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域都有著巨大作用。它不僅能使國(guó)家的軍事實(shí)力上升，而且給人們的生活帶來(lái)便利。本文將針對(duì)其在國(guó)防和醫(yī)療等非科技領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：核與粒子物理技術(shù)；國(guó)防；醫(yī)療；應(yīng)用

一、簡(jiǎn)介 核物理與粒子物理都是在微觀領(lǐng)域研究物質(zhì)的學(xué)科。核物理的產(chǎn)生自1896年貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射性起，到現(xiàn)在已經(jīng)有200多年的歷史了，可以說(shuō)還是一門新興學(xué)科，人們對(duì)核物理的研究還不完全，在原子核裂變、衰變以及聚變等方面有重大突破。它主要側(cè)重于研究原子的組成成分：質(zhì)子、中子以及電子。粒子物理是研究所有微觀粒子特性的學(xué)問(wèn)，如光子、電子、中微子等等，和原子核物理可以說(shuō)沒(méi)有很明顯的界限，兩者有許多的交集。粒子物理同原子核物理一樣，都屬于近代學(xué)科，雖然產(chǎn)生時(shí)間晚，研究時(shí)間短，但是成果卻是十分巨大的。給人類的生活帶來(lái)了很多翻天覆地的變化[1]。

二、核與粒子物理的特點(diǎn)

原子核物理與粒子物理都是針對(duì)微觀粒子進(jìn)行研究，微觀粒子普遍存在的特點(diǎn)就是高能和不確定性。

根據(jù)相對(duì)論效應(yīng)，在微觀領(lǐng)域粒子的速度都接近光速，粒子的動(dòng)能很大。因?yàn)樵雍舜嬖谫|(zhì)量虧損，所以在裂變、衰變和聚變過(guò)程中，可以釋放出巨大能量。這就是高能的體現(xiàn)。除此之外，大量微觀粒子聚集起來(lái)，因動(dòng)能巨大，若使粒子定向移動(dòng)，則也可以產(chǎn)生巨大的作用。

其次就是不確定性，根據(jù)海森堡不確定原理：

微觀粒子的動(dòng)能都十分大，導(dǎo)致其位置越來(lái)越不可預(yù)測(cè)，這也就決定了其在保密性上有著得天獨(dú)厚的條件。

三、核與粒子物理的應(yīng)用領(lǐng)域

由于原子核物理與粒子物理的特殊性，其應(yīng)用領(lǐng)域主要是醫(yī)學(xué)、軍事、通信、考古、能源和工農(nóng)業(yè)等方面。

（1）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 核與粒子物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用可分為以下三個(gè)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)。

①診斷 在診斷方面，即同位素示蹤法，它利用放射性核素去參與人體的代謝活動(dòng)，在循環(huán)的過(guò)程中探測(cè)出它們?cè)隗w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。例如X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（簡(jiǎn)稱CT），是較為早期的診斷方法；

其特點(diǎn)是無(wú)輻射損傷，無(wú)試劑侵入并且可以從分子水平去診斷臟器系統(tǒng)等[2]。

②治療 在治療方面，最常見(jiàn)的莫過(guò)于放療。因?yàn)榉派湫陨渚€具有殺滅癌細(xì)胞的能力，通過(guò)射線可以抑制或者破壞病變細(xì)胞組織。從而治療癌癥，但是由于射線不分?jǐn)澄?，?duì)人體正常組織細(xì)胞也會(huì)造成損傷。其原理是放射性射線是由大量告訴運(yùn)動(dòng)的粒子組成，通過(guò)加入磁場(chǎng)和電場(chǎng)使這些粒子做定向移動(dòng)，因?yàn)閱蝹€(gè)粒子的動(dòng)能很大，大量粒子轟擊同一個(gè)區(qū)域，會(huì)使該區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞因受到?jīng)_擊而被“撞死”從而達(dá)到殺滅細(xì)胞的作用。設(shè)粒子束橫截面積為S，粒子動(dòng)能p=mv，假設(shè)粒子速度有80%光速，粒子束中的粒子體密度為σ。假設(shè)粒子打到細(xì)胞上后靜止，則S面積上的壓強(qiáng)為：

P=（S*σ*v*t）*p/t/S=σvp=σ*m*v^2

可見(jiàn)其壓強(qiáng)之大，故而使用一次超常規(guī)大劑量的窄束電離射線束精確聚集于靶點(diǎn)，使之產(chǎn)生局部性的破壞，從而殺死固定位置的癌細(xì)胞。

除了放療以外，現(xiàn)在又出現(xiàn)了激光手術(shù)刀，也是利用粒子高能的特點(diǎn)，從而十分鋒利。

（1）軍事 物理學(xué)自誕生以來(lái)便與軍事科學(xué)息息相關(guān)，核物理的進(jìn)步和軍事科技的發(fā)展是相互促進(jìn)的。它在軍事上婦孺皆知的應(yīng)用便是核武器。其殺傷原理與傳統(tǒng)的化學(xué)炸藥有著很大不同，它是利用能自持進(jìn)行核裂變或聚變反應(yīng)時(shí)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)模殺傷性和破壞性，而且還會(huì)造成大面積的放射性污染[3]。按照核武器釋放能量原理的角度，可以分為核裂變、核聚變和輻射型。

①核裂變 核裂變的典型就是原子彈，它是主要是通過(guò)鈾235和钚239來(lái)制造，其原理是裂變反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到臨界質(zhì)量時(shí)，便會(huì)發(fā)生裂變反應(yīng)，因?yàn)樵摲磻?yīng)存在質(zhì)量虧損，由裂變反應(yīng)式（以鈾235為例）：

質(zhì)量虧損達(dá)到207Mev，并且核裂變反應(yīng)迅速，在很短的時(shí)間內(nèi)釋放大量的熱以及各種衰變、輻射粒子，形成了壯觀的蘑菇云。

②核聚變 核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氕，在超高溫或者高壓條件下，讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個(gè)原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核。核聚變產(chǎn)生的條件比較苛刻，所以一般需要使用裂變提供最開(kāi)始的能量。但是聚變釋放出的能量是比裂變高得多的。

根據(jù)聚變反應(yīng)方程式：

即每“燒”掉6個(gè)氘核共放出43.24MeV能量，相當(dāng)于每個(gè)核子平均放出3.6MeV。它比n+裂變反應(yīng)中每個(gè)核子平均

放出200/236=0.85MeV高4倍。所以聚變釋放的能量是遠(yuǎn)高于裂變的。

（3）通信 即利用量子技術(shù)來(lái)傳送秘密鑰匙， 實(shí)現(xiàn)加密的功能。光子振蕩（偏振化）的方向，代表一連串量子位元里的0與1。量子位元構(gòu)成密碼的“鑰匙”，可以對(duì)訊息加密或解密。竊聽(tīng)者之所以刺探不到鑰匙，是由于海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理—這是量子物理的基礎(chǔ)之一，當(dāng)我們?cè)跍y(cè)量量子態(tài)的某個(gè)性質(zhì)時(shí)，會(huì)使另一個(gè)性質(zhì)受到擾動(dòng)。在量子密碼系統(tǒng)里，任何竊取者在偷看光子束時(shí)都會(huì)更動(dòng)到它，而被發(fā)送者或接收者察覺(jué)。原則上，這種技術(shù)可以做出無(wú)法破解的秘密鑰匙。

如國(guó)家最新發(fā)射的量子衛(wèi)星墨子號(hào)，量子通訊衛(wèi)星等，都是利用粒子的不確定性來(lái)進(jìn)行保密。

此外，在考古和能源領(lǐng)域，核與粒子物理也有很大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鋼，侯躍新，李巖，肖丹，楊斌. 簡(jiǎn)述當(dāng)前核物理研究在我國(guó)發(fā)展的動(dòng)向[J]. 黑龍江科技信息，2013，（35）：28.

[2]李湘慶，葉沿林. 核物理與核探測(cè)、核分析技術(shù)的應(yīng)用[J]. 物理，2012，（05）：301-308.

[3]祝銘山，林東. 淺談核物理學(xué)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)科技信息，2014，（09）：56-58.

（作者單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院）