核与粒子物理技术与装置在国防、医疗等非科技领域中的应用

摘要：当今世界，核与粒子物理技术扮演者越来越重要的角色。它除了用于研究微观粒子的结构性质外，在国防、医疗等领域都有着巨大作用。它不仅能使国家的军事实力上升，而且给人们的生活带来便利。本文将针对其在国防和医疗等非科技领域中的应用进行详细阐述。

关键词：核与粒子物理技术；国防；医疗；应用

一、简介 核物理与粒子物理都是在微观领域研究物质的学科。核物理的产生自1896年贝克勒耳发现天然放射性起，到现在已经有200多年的历史了，可以说还是一门新兴学科，人们对核物理的研究还不完全，在原子核裂变、衰变以及聚变等方面有重大突破。它主要侧重于研究原子的组成成分：质子、中子以及电子。粒子物理是研究所有微观粒子特性的学问，如光子、电子、中微子等等，和原子核物理可以说没有很明显的界限，两者有许多的交集。粒子物理同原子核物理一样，都属于近代学科，虽然产生时间晚，研究时间短，但是成果却是十分巨大的。给人类的生活带来了很多翻天覆地的变化[1]。

二、核与粒子物理的特点

原子核物理与粒子物理都是针对微观粒子进行研究，微观粒子普遍存在的特点就是高能和不确定性。

根据相对论效应，在微观领域粒子的速度都接近光速，粒子的动能很大。因为原子核存在质量亏损，所以在裂变、衰变和聚变过程中，可以释放出巨大能量。这就是高能的体现。除此之外，大量微观粒子聚集起来，因动能巨大，若使粒子定向移动，则也可以产生巨大的作用。

其次就是不确定性，根据海森堡不确定原理：

微观粒子的动能都十分大，导致其位置越来越不可预测，这也就决定了其在保密性上有着得天独厚的条件。

三、核与粒子物理的应用领域

由于原子核物理与粒子物理的特殊性，其应用领域主要是医学、军事、通信、考古、能源和工农业等方面。

（1）医学领域 核与粒子物理学在医学上的应用可分为以下三个方面：一是核医学诊断；二是核物理治疗技术；三是卫生防护。

①诊断 在诊断方面，即同位素示踪法，它利用放射性核素去参与人体的代谢活动，在循环的过程中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。例如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；

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[2]。

②治疗 在治疗方面，最常见的莫过于放疗。因为放射性射线具有杀灭癌细胞的能力，通过射线可以抑制或者破坏病变细胞组织。从而治疗癌症，但是由于射线不分敌我，对人体正常组织细胞也会造成损伤。其原理是放射性射线是由大量告诉运动的粒子组成，通过加入磁场和电场使这些粒子做定向移动，因为单个粒子的动能很大，大量粒子轰击同一个区域，会使该区域内的细胞因受到冲击而被“撞死”从而达到杀灭细胞的作用。设粒子束横截面积为S，粒子动能p=mv，假设粒子速度有80%光速，粒子束中的粒子体密度为σ。假设粒子打到细胞上后静止，则S面积上的压强为：

P=（S*σ*v*t）*p/t/S=σvp=σ*m*v^2

可見其压强之大，故而使用一次超常规大剂量的窄束电离射线束精确聚集于靶点，使之产生局部性的破坏，从而杀死固定位置的癌细胞。

除了放疗以外，现在又出现了激光手术刀，也是利用粒子高能的特点，从而十分锋利。

（1）军事 物理学自诞生以来便与军事科学息息相关，核物理的进步和军事科技的发展是相互促进的。它在军事上妇孺皆知的应用便是核武器。其杀伤原理与传统的化学炸药有着很大不同，它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，不但具有大规模杀伤性和破坏性，而且还会造成大面积的放射性污染[3]。按照核武器释放能量原理的角度，可以分为核裂变、核聚变和辐射型。

①核裂变 核裂变的典型就是原子弹，它是主要是通过铀235和钚239来制造，其原理是裂变反应，当达到临界质量时，便会发生裂变反应，因为该反应存在质量亏损，由裂变反应式（以铀235为例）：

质量亏损达到207Mev，并且核裂变反应迅速，在很短的时间内释放大量的热以及各种衰变、辐射粒子，形成了壮观的蘑菇云。

②核聚变 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氕，在超高温或者高压条件下，让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核。核聚变产生的条件比较苛刻，所以一般需要使用裂变提供最开始的能量。但是聚变释放出的能量是比裂变高得多的。

根据聚变反应方程式：

即每“烧”掉6个氘核共放出43.24MeV能量，相当于每个核子平均放出3.6MeV。它比n+裂变反应中每个核子平均

放出200/236=0.85MeV高4倍。所以聚变释放的能量是远高于裂变的。

（3）通信 即利用量子技术来传送秘密钥匙， 实现加密的功能。光子振荡（偏振化）的方向，代表一连串量子位元里的0与1。量子位元构成密码的“钥匙”，可以对讯息加密或解密。窃听者之所以刺探不到钥匙，是由于海森堡的测不准原理—这是量子物理的基础之一，当我们在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动。在量子密码系统里，任何窃取者在偷看光子束时都会更动到它，而被发送者或接收者察觉。原则上，这种技术可以做出无法破解的秘密钥匙。

如国家最新发射的量子卫星墨子号，量子通讯卫星等，都是利用粒子的不确定性来进行保密。

此外，在考古和能源领域，核与粒子物理也有很大的作用。

参考文献：

[1]李钢，侯跃新，李岩，肖丹，杨斌. 简述当前核物理研究在我国发展的动向[J]. 黑龙江科技信息，2013，（35）：28.

[2]李湘庆，叶沿林. 核物理与核探测、核分析技术的应用[J]. 物理，2012，（05）：301-308.

[3]祝铭山，林东. 浅谈核物理学在各领域中的应用[J]. 中国科技信息，2014，（09）：56-58.

（作者单位：郑州大学物理工程学院）