淺談核物理學在各領域中的應用

祝銘山 林 東

東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024

1 概述

核物理自誕生以來雖然只經過短短百余年，卻已經發展成了一門對政治、軍事、經濟和科技等各個方面都有重大影響的學科，和我們的生活也密不可分。核物理學又稱作原子核物理學，是物理學的一個重要分支，它主要研究各類次原子粒子和它們之間的關系，以及核能。核技術及其應用的相關物理問題。本文就核物理學在各個領域中的應用做一個簡單的介紹。

2 軍事領域

物理學自誕生以來便與軍事科學可謂唇齒相依，密不可分，核物理的進步和軍事科技的發展是相互促進的。它在軍事上最著名和最廣為人知的應用便是核武器。其殺傷原理不同于傳統的化學炸藥，是利用能自持進行核裂變或聚變反應時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，不但具有大規模破壞性，而且還會造成大面積的放射性污染。按照核武器釋放能量原理的角度，可以分為裂變型、聚變型和輻射型。

2.1 裂變型

最早的核武器—原子彈的釋放能量原理就是裂變型，目前原子彈的主要裝藥有鈾（U）235以及钚（Pu）239，而制造原子彈的最主要的難點在于其核裝藥的提純，因為天然鈾235的含量很小（只占0. 711%），而鈾238占去了99. 284%，要讓鈾235達到武器級的濃度（90%），就必須將它提純。由于鈾（U）235和鈾（U）238是同位素，化學性質完全一樣，所以用普通的化學方法是不能將他們分離的，而目前國際上通用的方法是氣體擴散法，離心法和激光法，而氣體離心分離機則是提煉濃縮鈾最為常用的氣體離心法的關鍵設備，很多國家都將是否擁有濃縮鈾離心機來判斷是否進行核武的研究。所以每次伊朗只要在離心機上出現什么風吹草動都會挑動世界的神經，也就不難理解了。另外一種原子彈的主要裝藥是钚（Pu）239，1945年7月第一次核試驗以及投在日本長崎的內爆式原子彈“胖子”都是使用的钚。钚可以在核子反應堆的核廢料里提取出來，原理是用鈾和中子，借镎（Np）作中間體，產生β的衰變（β?）反應合成，由于钚和鈾化學性質不一樣，所以用化學方法能較方便的將钚提純，钚的主要同位素有钚（Pu）239，钚（Pu）238以及钚（Pu）240，其中钚（Pu）240很容易自發的裂變，這樣會造成中子通量的激增，所以钚（Pu）240影響钚作為核武器的適用性，所以钚（Pu）240的含量多寡決定了钚的分級，現在美國的分級標準一般是钚（Pu）240少于7%則視為武器級钚，大于19%則視為反應堆級钚，介于其間的是燃料級钚。

2.2 聚變型

聚變型核彈分別有氫彈，中子彈，以及沖擊波彈等。它們是利用輕核子（比如氫的同位素氘（D）、氚（T））發生核聚變時釋放的巨大能量的核武器。氫彈也稱三相彈，是因為必須得先有裂變產生的高溫高壓才能讓輕核達到可以聚變的環境，因此目前所有的氫彈都是采用三相式的設計。氫彈還可以通過設法增加或減弱他的某些殺傷因素，以用于不同的戰術環境，比如中子彈，它就是小型的氫彈，理論上它的裂變成分極小，而聚變成分大，所以產生的中子流極強，可是造成的核輻射和沖擊波就相對弱了很多，又因為水中的電解質可以吸收中子，人體內又含有大量的水分，所以中子彈對人體的殺傷力非常大，卻不會對武器或者建筑物造成很大的傷害，這就是人們為什么常說中子彈可以達到“殺人卻不毀物”的原因。再比如沖擊波彈，也是一種小型氫彈，它用慢化吸收中子技術來減弱中子活化，從而達到削弱輻射的作用，目的是讓部隊可以迅速進入爆炸區。

2.3 電磁脈沖型

核電磁脈沖彈Electromagnetic Pulse（EMP），主要戰術目標是破壞敵人的電子設備，現在的戰爭是信息化的戰爭，如果電子通訊設備被毀壞，那么在戰場上就會處于極其被動的處境。而EMP正是迎合了這種戰場上的需求，她是利用在大氣層以上的核爆炸產生大量的極強的電磁脈沖使一定范圍內的電子通信設備產生很高的瞬時高功率，從而將其燒毀。

2.4 其他類型

其他類型核武器的比如臟彈，其實它并不算嚴格意義上的核彈，只是借用化學爆炸將放射性污染物散布開來，達到放射性污染的目的。鈷核彈也同理，不過它是在原子彈殼上使用鈷元素，目的則是維持長時間的放射性核污染。

3 能源領域

美國投向日本長崎和廣島的核彈，讓人們第一次見識到核能的威力，也使得不少人“談核色變”，其實核能是一把雙刃劍，若是用于造福人類，核能也能發揮出其他能源所沒有的巨大的優勢。

3.1 核電站

核電站是和平利用核能的一種最典型的方式，它的原理是利用鈾、钚等作核燃料在可控裂變反應中將核能轉換為電能，雖然同核武器一樣都是利用重核的裂變能，但是因為核電站使用的核燃料中鈾235不足5%，遠遠低于臨界值，所以核電站是不可能發生像核武器那樣的核爆炸的。相較傳統能源，核電顯示出了以下壓倒性的優勢：不會像化石燃料那樣排放污染物，對環境影響小；核燃料能量密度極高，是高效能源；核電是安全能源，發生事故的可能性相對很小。雖然也發生過像美國三里島核事故，前蘇聯的切爾諾貝利核事故以及311福島核電站核事故，但是相比起全球400余臺核電機組，1萬2千多反應堆在數十年運行歷史中，這樣的事故率已經是非常的低了。加上核電站安全性會不斷提高，以后發生事故的可能性會更小。

其實現在核電已經成為很多國家不可或缺的電力來源，比如在法國核電發電量占去總發電量的75.20%，其次是斯洛伐克，占53.50%，比利時51.70%，烏克蘭48.60%等等[1]。而在能源消費方面，根據BP世界能源的統計，2011年世界一次能源消費中石油依舊獨占鰲頭，占去總量的33.1%，緊隨其后的是煤炭，占30.3%，天然氣占23.7%，水電占6.4%，核能占4.9%，可再生能源僅占1.65%[2]。

3.2 核電池

核電池也稱放射性同位素電池，它主要是利用同位素在放射性衰變時放出的載粒子（比如α粒子，β粒子，γ射線）能量引發的電離效應、光效應或者熱效應來產生電能的一種裝置。目前應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉換核電池[3]。其特點是重量輕體積小壽命長，而且能量來源穩定，基本不受外界因素的影響。這些特點也決定了它能應用在許多復雜甚至惡劣的環境中。以在航天領域的應用為例，我國最新發射的玉兔號月球車上就用到核電池，因為在月亮的夜晚是漫長而寒冷的（能達到零下180°），這時候必須給儀器設備供暖，否則會被凍壞，而傳統的蓄電池根本無法在這惡劣的環境下工作，此時核電池成為首當其選；再比如極地，深海，終年積雪的高山，荒漠等環境，如果要在這種惡劣環境下建立導航站氣象站，用核電池當電源，可以常年不用維修更換；再比如生活方面，應用在各種手提設備上，基本可以不用反復充電也無需更換電池；再比如醫學上的心臟起搏器，不難想象每更換一次心臟起搏器患者都得忍受多大的痛苦，冒著多大的生命危險，如果換成用核電池做心臟起搏器電源，可以滿足長時間不必更換這一決定性的優點。此外核電池還可以應用在交通工具上，軍事上，深海科學儀器等等方面。

4 醫學領域

其實早在1895年的時候德國物理學家倫琴便發現了X射線，而X射線的發現，為醫學帶來了革命性的影響。時至今日相關的核物理技術已經在醫學領域得到了極為廣泛的應用。它的應用主要在于三個方面：一是核醫學診斷；二是核物理治療技術；三是衛生防護。

在診斷方面，它利用放射性核素去參與人體的代謝活動，從而探測出它們在體內的行蹤、分布和代謝等情況，從而達到顯像和診斷的目的。隨著物理學的不斷發展進步，物理技術在醫學上的應用也日新月異，如X射線計算機斷層掃描成像（簡稱CT），是較為早期的診斷方法；NMRI核磁共振成像，其特點是無輻射損傷，無試劑侵入并且可以從分子水平去診斷臟器系統等；單光子發射計算機斷層成像（SPECT），通常和CT配套使用，也是一種利用放射性核素的檢查方法，另一種ECT是利用正電子的，也就是正電子發射型計算機斷層顯像（PET），其特點是高靈敏度，高安全性，高特異性（比如能判斷腫瘤是良性還是惡性，這一點CT和NMRI則無法做到），并且一次掃描即可獲得全身各區域的成像。

在治療方面，其原理是利用輻射生物效應。因為放射性射線具有殺滅癌細胞的能力，通過射線可以達到抑制或者破壞病變細胞組織的目的。主要分內照射治療和外照射治療，以及敷貼治療膠體治療等[4]。比如BNCT-硼中子俘獲治療法，先給病人注射含硼的特殊化合物，癌細胞很容易吸收該化合物，這時候再利用硼容易吸收中子的特性用中子射線照射，便可殺死癌細胞卻不會損害到周圍的細胞，從而達到治療目的；此外還有重離子放射線（HIMAC）治療技術，它的治療精度更高而且更安全，對周圍健康組織的傷害更小。

在衛生防護方面，利用輻射源消毒殺菌在醫藥消毒保存等方面也已經廣泛應用，并帶來了極大的社會價值。

5 工農業領域

核物理在工農業領域的應用主要有：輻射加工、輻射探傷、物質分析、輻射殺蟲、輻射消毒和輻射育種等。其中輻射加工屬于在工農業領域一個極為重要的應用被廣泛運用于制造優質的熱收縮材料、發泡材料、高效電池隔膜、電纜橡膠硫化等。也可以用于食品滅菌保鮮和醫療器械的消毒等。離子束加工則是輻射加工的一個重要方面，它可以改進甚至改變材質的某些指標，如離子注入金屬材料可以提高它的耐磨、抗氧化、抗腐蝕等，離子注入陶瓷甚至可以大大提高它的導電性。

而輻射探傷也是一個重要的應用，比如在大型的部件（比如飛機，輪船，火箭的）或者大型工程（比如水壩）的檢測上，尤其用在特種構件焊接質量的精密檢測，大型構件的裝配質量監測和內部結構的精密檢測更顯重要[5]；而輻射探傷另一個重要的方法是中子照相，它可以用于檢測火藥，檢測航空發動機葉片，飛機油箱，檢測建筑物混凝土滲水滲油的特性，檢測核燃料棒的內部情況等等。前不久新興起一種集裝箱的檢測方法—μ介子斷層掃描技術，它可以檢測到以前傳統的檢測技術檢測不出來的材料，比如把東西裝進鉛盒里，X透視法就無能為力了，而μ介子則可以做到；它沒有輻射危害，檢測速度快，穿透力強，應用范圍廣，在不久的未來將是一種較有應用前景的安檢手段。

6 其他領域

比如在考古領域，核物理在考古領域的應用主要有加速器質譜儀（AMS）技術，它可以通過測定小樣品的14C含量來測地質年份[6]。現在最新的測量精度已經達到了0.2%～03%，大大減小了14C測年的誤差[7]。

在環保領域，主要應用在環境污染的治理，以及環境監測保護等方面。在治理污染方面；比如在火電站工作時會排放大量的SO2，NOx氣體，用電子束煙氣脫硫技術[8]，可以使得煙氣中的SO2，NOx變成硫酸銨和硝酸銨，最終實現消除污染物，而且生成物還可以用作肥料，既消除了污染，又能廢物利用，一舉多得。而在環境監測方面，其實在前面曾經提到過的某些領域的相關應用也交叉應用在環境監測方面的，比如說裝有核電池的導航浮標，放在深海的監聽器，這些都是可以實現對環境進行遠程的實時的監測。現在核技術已經是環境監測中不可或缺的一種重要手段。

7 結束語

自1896年貝克勒爾發現天然放射性現象以來才過去了短短百余年，核物理卻已經得到了蓬勃的發展，同時也和各個學科建立了廣泛的聯系，核技術不僅對我們的生活，也對世界的變化產生了巨大的深遠的影響，展望未來，核技術將會繼續與各個學科的不斷的交叉滲透，造福世界，造福人類。

[1]任德曦，肖東生，胡泊. 世界核電布局走向及對我國核電布局的啟示[J]. 南華大學學報（ 社會科學版），2013，14（5）:1-10.

[2]范世濤. 世界能源格局: 四大趨勢[J]. 經濟研究參考，2013（2）:17-41.

[3]郝少昌，盧振明，符曉銘等. 核電池材料及核電池的應用[J]. 原子核物理評論，2006，23（3）:353-358.

[4]張偉建. 核物理技術在我國醫學上的應用[J]. 科技與產業，2010（3）:42-45.

[5]鄭濤. 核物理與工農業發展[J]. 物理，2012，41（5）:309-315.

[6]劉克新. 加速器質譜及應用[J]. 現代儀器，2003（5）:1-4.

[7]周衛健，盧雪峰，武振坤等. 核素分析的加速器質核素分析的加速器質譜儀[J]. 核技術，2007，30（8）:702-708.

[8]毛本將，丁伯南. 電子束煙氣脫硫技術及工業應用[J]. 環境保護，2004（9）:15-18.