粒子物理的應用研究

摘 要：粒子物理作為現代物理最活躍的分支，受到了廣泛的關注。它極大的豐富了理論物理學研究，同時也逐漸在生活中得到了廣泛應用。該文將簡要介紹粒子物理，同時探討粒子物理在醫學、軍事和通信上、工業三大領域較成熟的應用。

關鍵詞：粒子物理 醫學應用 軍事和通信應用 工業應用

中圖分類號：O572 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-0-01

歐洲大型強子對撞機（LHC）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，通過該加速器加速后的金元素核，將會在彼此的對撞中，都被打的粉碎，這些碎片很可能就是現代物理所宣稱的基本粒子。一些學者曾預言這個加速器可能會產生微小的黑洞。在歐洲引起了部分民眾的恐慌。LHC的運轉，讓人們對新物理很期待，不管碰撞的結果如何，最終LHC都會推進粒子物理學的研究。下面將主要介紹粒子物理的概念與其廣泛的應用。

1 粒子物理的概念與分類

那什么是粒子物理呢？粒子物理是指研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質，和在很高能量下這些物質相互轉化及其產生原因和規律的物理學分支，又稱高能物理學。

在實驗上可以把已經發現的粒子分為兩大類。一類是不參與強相互作用的粒子，統稱為輕子。另一類是參與強相互作用的粒子統稱為強子。

強相互作用是目前所知的四種宇宙間基本作用力最強的，也是作用距離最短的（大約在10-15～10-10 m范圍內）的力。作用于強子之間。最早研究的強相互作用是核子（質子或中子）之間的核力，它是使核子結合成原子核的作用。兩個質子在原子核里面的作用力大約是230 N，由此可以見此作用力多強！

已經發現的輕子共計12種輕子。包括電子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重輕子），電子e 中微子、μ子中微子、τ子中微子，共有六種輕子，同時以上各粒子還有反粒子，也有六種。

最為熟悉的重子是質子和中子，其他還有Λ、Σ、Ξ、Ω等粒子，其質量均超過質子和中子，故又稱超子。已經發現的數百種粒子中絕大部分是強子。

2 粒子物理的應用

聽這些詞兒覺得粒子物理覺得距離我們很遠，其實它在醫學、軍事和通信上、工業三大領域早有用途。

2.1 在醫學上的應用

粒子物理學在醫學上的常見應用可分為兩種：成象和治療。

在成象領域，最早的X攝像和彩超技術。就離不開這些有用的粒子。現在成象技術發展到分子影像：可以更精確的成像和診斷。比較典型的設備有：非常正電子發射計算機斷層顯像（PET），一種進行功能代謝顯像的分子影像學設備。采用正電子核素作為示蹤劑，它通過病灶部位對示蹤劑的攝取了解病灶功能代謝狀態，從而對疾病作出正確診斷。不夸張的說，沒有粒子物理的進步，醫療技術將還會停留在19世紀的水平。

在治療領域，過去的50年里，醫學物理學家是發展和利用粒子加速器治療癌癥的先鋒。線性加速器能夠將高能量的電子或X射線光柱傳遞到惡性腫瘤中，從而殺死癌細胞，并阻止腫瘤生長。近年來，一種叫做IMRT（強度調節放射治療）的先進技術，更是提升了放射療法控制腫瘤的能力。

IMRT利用計算機程序來精確確定治療范圍，并控制加速器光柱以傳遞最大劑量的射線到腫瘤中，同時將周圍健康組織的照射劑量做到最小化。IMRT已經用于治療腦癌、頭頸和氣體等惡性疾病。

在現代手術室有一種特殊的刀—粒子手術刀。能把能量會聚到非常精確的小體積內。讓手術非常精準。粒子手術刀具有許多優點：簡便、省時，不必住院，治療全部自動化。精確度高，誤差只有0.1 mm；真正做到手術無創傷，病人無痛苦，不出血，而且無感染，無并發癥，治療過程無思想負擔。優點大大超過實體手術刀。病人醫生護士都很滿意，越來越廣泛應用于臨床。

2.2 在軍事和通信上的應用

隨著核技術的進步，現在發展了一種利用高能粒子的粒子束武器。用高能強流加速器將粒子源產生的電子、質子或離子加速到接近光速；利用磁場聚焦成密集的粒子束流，粒子運動時，能量高度集中，穿透力強，脈沖發射率高，能快速改變發射方向等，并且零噪聲。能廣泛的去摧毀敵人的飛機、導彈、衛星等目標。

光子在光纖的傳輸，極大的改善了通信，由此人類進入了網絡社會。原香港中文大學校長高錕因此獲得了諾貝爾獎。

另外理論學家，已經給出中微子通信的前景。靜止質量極小的中微子，能以近光速的速度作直線運動，在傳播過程不反射、不折射也不散射，穿透能力強，能輕而易舉地穿過地球。它將是比光子更優良的通信微粒。理論學家同時也證明了中微子通信將有超強抗干擾性和保密性。大批的知名學者也投入到了，中微子的通信應用研究上，也許在不久，我們將迎來中微子通信時代。

2.3 在工業上的應用

利用中子和物質相互作用的一些特點，可以進行中子測水勘探石油、煤礦等。其方法一般是將中子沿井管下降到各地層，測量快中子和地層中物質作用后產 生的慢中子或次級γ（伽馬）光子，以判斷該地層 中有關物質的含量做到中子測井。

當高能電子在磁場中偏轉時，會產生同步輻射。由幾個Gev（10億電子伏特）的電子同步回旋加速器和儲存環產生的同步輻射是最好的光刻用的X射線源。

3 結語

隨著技術的進步，粒子物理將會帶來更多的精彩，小小粒子是一個個不朽的

傳奇。

參考文獻

[1]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，1979-06-01.

[2]汪志誠.熱力學.統計物理[M].北京：高等教育出版社，2008.