核物理學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用,核物理論文

核物理學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用,核物理論文核物理自誕生以來固然只經(jīng)過短短百余年，卻已經(jīng)發(fā)展成了一門對政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和科技等各個(gè)方面都有重大影響的學(xué)科，和我們的生活也密不可分。核物理學(xué)又稱作原子核物理學(xué)，是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，它主要研究各類次原子粒子和它們之間的關(guān)系，以及核能。核技術(shù)及其應(yīng)用的相關(guān)物理問題。本文就核物理學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用做一個(gè)簡單的介紹。2軍事領(lǐng)域物理學(xué)自誕生以來便與軍事科學(xué)可謂唇齒相依，密不可分，核物理的進(jìn)步和軍事科技的發(fā)展是互相促進(jìn)的。它在軍事上最著名和最廣為人知的應(yīng)用便是核武器。其殺傷原理不同于傳統(tǒng)的化學(xué)炸藥，是利用能自持進(jìn)行核裂變或聚變反響時(shí)霎時(shí)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毀壞作用，不但具有大規(guī)模毀壞性，而且還會造成大面積的放射性污染。根據(jù)核武器釋放能量原理的角度，能夠分為裂變型、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，當(dāng)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(diǎn)在于其核裝藥的提純，由于天然鈾235的含量很小〔只占0.711%〕，而鈾238占去了99.284%,要讓鈾235到達(dá)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(xué)性質(zhì)完全一樣，所以用普通的化學(xué)方式方法是不能將他們分離的，而當(dāng)前國際上通用的方式方法是氣體擴(kuò)散法，離心法和激光法，而氣體離心分離機(jī)則是提煉濃縮鈾最為常用的氣體離心法的關(guān)鍵設(shè)備，很多國家都將能否擁有濃縮鈾離心機(jī)來判定能否進(jìn)行核武的研究。所以每次伊朗只要在離心機(jī)上出現(xiàn)什么風(fēng)吹草動都會挑動世界的神經(jīng)，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(yàn)以及投在日本長崎的內(nèi)爆式原子彈胖子都是使用的钚。钚能夠在核子反響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(chǎn)生的衰變〔〕反響合成，由于钚和鈾化學(xué)性質(zhì)不一樣，所以用化學(xué)方式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,華而不實(shí)钚〔Pu〕240很容易自發(fā)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，如今美國的分級標(biāo)準(zhǔn)一般是钚〔Pu〕240少于7%則視為武器級钚，大于19%則視為反響堆級钚，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〔比方氫的同位素氘〔D〕、氚〔T〕〕發(fā)生核聚變時(shí)釋放的宏大能量的核武器。氫彈也稱三相彈，是由于必須得先有裂變產(chǎn)生的高溫高壓才能讓輕核到達(dá)能夠聚變的環(huán)境，因而當(dāng)前所有的氫彈都是采用三相式的設(shè)以用于不同的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，比方中子彈，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(chǎn)生的中子流極強(qiáng)，可是造成的核輻射和沖擊波就相對弱了很多，又由于水中的電解質(zhì)能夠吸收中子，人體內(nèi)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?yōu)槭裁闯Ｖv中子彈能夠到達(dá)殺人卻不毀物的原因。再比方?jīng)_擊波彈，也是一種小型氫彈，它用慢化吸收中子技術(shù)來減弱中子活化，進(jìn)而到達(dá)削弱輻射的作用，目的是讓能夠迅速進(jìn)入爆炸區(qū)。2.3電磁脈沖型核電磁脈沖彈ElectromagneticPulse〔EMP〕，主要戰(zhàn)術(shù)目的是毀壞敵人的電子設(shè)備，如今的戰(zhàn)爭是信息化的戰(zhàn)爭，假如電子通訊設(shè)備被毀壞，那么在戰(zhàn)場上就會處于極其被動的處境。而EMP正是迎合了這種戰(zhàn)場上的需求，她是利用在大氣層以上的核爆炸產(chǎn)生大量的極強(qiáng)的電磁脈沖使一定范圍內(nèi)的電子通信設(shè)備產(chǎn)生很高的瞬時(shí)高功率，進(jìn)而將其燒毀。2.4其他類型其他類型核武器的比方臟彈，其實(shí)它并不算嚴(yán)格意義上的核彈，只是借用化學(xué)爆炸將放射性污染物分布開來，到達(dá)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(shí)間的放射性核污染。3能源領(lǐng)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(shí)核能是一把雙刃劍，若是用于造福人類，核能也能發(fā)揮出其他能源所沒有的宏大的優(yōu)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響中將核能轉(zhuǎn)換為電能，固然同核武器一樣都是利用重核的裂變能，但是由于核電站使用的核燃料中鈾235缺乏5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界值，所以核電站是不可能發(fā)生像核武器那樣的核爆炸的。相較傳統(tǒng)能源，核電顯示出了下面壓倒性的優(yōu)勢：不會像化石燃料那樣排放污染物，對環(huán)境影響?。缓巳剂夏芰棵芏葮O高，是高效能源；核電是安全能源，發(fā)生事故的可能性相對很小。固然也發(fā)生過像美國三里島核事故，前蘇聯(lián)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(jī)組，1萬2千多反響堆在數(shù)十年運(yùn)行歷史中，這樣的事故率已經(jīng)是非常的低了。加上核電站安全性會不斷提高，以后發(fā)生事故的可能性會更小。其實(shí)如今核電已經(jīng)成為很多國家不可或缺的電力來源，比方在法國核電發(fā)電量占去總發(fā)電量的75.20%,其次是斯洛伐克，占53.50%,比利時(shí)51.70%,烏克蘭48.60%等等[1].而在能源消費(fèi)方面，根據(jù)BP世界能源的統(tǒng)計(jì)，2018年世界一次能源消費(fèi)中石油還是那樣獨(dú)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(shí)放出的載粒子〔比方粒子，粒子，射線〕能量引發(fā)的電離效應(yīng)、光效應(yīng)或者熱效應(yīng)來產(chǎn)生電能的一種裝置。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池[3].其特點(diǎn)是重量輕體積小壽命長，而且能量來源穩(wěn)定，基本不受外界因素的影響。這些特點(diǎn)也決定了它能應(yīng)用在很多復(fù)雜甚至惡劣的環(huán)境中。以在航天領(lǐng)域的應(yīng)用為例，我們國家最新發(fā)射的玉兔號月球車上就用到核電池，由于在月亮的夜晚是漫長而嚴(yán)寒的〔能到達(dá)零下180〕，這時(shí)候必須給儀器設(shè)備供暖，否則會被凍壞，而傳統(tǒng)的蓄電池根本無法在這惡劣的環(huán)境下工作，此時(shí)核電池成為首當(dāng)其選；再比方極地，深海，終年積雪的高山，荒漠等環(huán)境，假如要在這種惡劣環(huán)境下建立導(dǎo)航站氣象站，用核電池當(dāng)電源，能夠常年不用維修更換；再比方生活方面，應(yīng)用在各種手提設(shè)備上，基本能夠不用反復(fù)充電也無需更換電池；再比方醫(yī)學(xué)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耐多大的痛苦，冒著多大的生命危險(xiǎn)，假如換成用核電池做心臟起搏器電源，能夠知足長時(shí)間不必更換這一決定性的優(yōu)點(diǎn)。除此之外核電池還能夠應(yīng)用在交通工具上，軍事上，深海科學(xué)儀器等等方面。4醫(yī)學(xué)領(lǐng)域其實(shí)早在1895年的時(shí)候德國物理學(xué)家倫琴便發(fā)現(xiàn)了X射線，而X射線的發(fā)現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)帶來了革命性的影響。時(shí)至今日相關(guān)的核物理技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。它的應(yīng)用主要在于三個(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)。在診斷方面，它利用放射性核素去介入人體的代謝活動，進(jìn)而探測出它們在體內(nèi)的行蹤、分布和代謝等情況，進(jìn)而到達(dá)顯像和診斷的目的。隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步，物理技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也日新月異，如X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像〔簡稱CT〕，是較為早期的診斷方式方法；NMRI核磁共振成像，其特點(diǎn)是無輻射損傷，無試劑侵入并且能夠從分子水平去診斷臟器系統(tǒng)等；單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)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式方法，另一種ECT是利用正電子的，也就是正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像〔PET〕，其特點(diǎn)是高靈敏度，高安全性，高特異性〔比方能判定腫瘤是良性還是惡性，這一點(diǎn)CT和NMRI則無法做到〕，并且一次掃描即可獲得全身各區(qū)域的成像。在治療方面，其原理是利用輻射生物效應(yīng)。由于放射性射線具有殺滅癌細(xì)胞的能力，通過射線能夠到達(dá)抑制或者毀壞病變細(xì)胞組織的目的。主要分內(nèi)照射治療和外照射治療，以及敷貼治療膠體治療等[4].比方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(xì)胞很容易吸收該化合物，這時(shí)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(xì)胞卻不會損害到周圍的細(xì)胞，進(jìn)而到達(dá)治療目的；除此之外還有重離子放射線〔HIMAC〕治療技術(shù)，它的治療精度更高層次而且更安全，對周圍健康組織的傷害更小。在衛(wèi)生防護(hù)方面，利用輻射源消毒殺菌在醫(yī)藥消毒保存等方面也已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并帶來了極大的社會價(jià)值。5工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域核物理在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：輻射加工、輻射探傷、物質(zhì)分析、輻射殺蟲、輻射消毒和輻射育種等。華而不實(shí)輻射加工屬于在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個(gè)極為重要的應(yīng)用被廣泛運(yùn)用于制造優(yōu)質(zhì)的熱收縮材料、發(fā)泡材料、高效電池隔膜、電纜橡膠硫化等?？梢砸杂糜谑称窚缇ｕr和醫(yī)療器械的消毒等。離子束加工則是輻射加工的一個(gè)重要方面，它能夠改良甚至改變材質(zhì)的某些指標(biāo)，如離子注入金屬材料能夠提高它的耐磨、抗氧化、抗腐蝕等，離子注入陶瓷甚至能夠大大提高它的導(dǎo)電性。而輻射探傷也是一個(gè)重要的應(yīng)用，比方在大型的部件〔比方飛機(jī)，輪船，火箭的〕或者大型工程〔比方水壩〕的檢測上，尤其用在特種構(gòu)件焊接質(zhì)量的精致細(xì)密檢測，大型構(gòu)件的裝配質(zhì)量監(jiān)測和內(nèi)部構(gòu)造的精致細(xì)密檢測更顯重要[5];而輻射探傷另一個(gè)重要的方式方法是中子照相，它能夠用于檢測火藥，檢測航空發(fā)動機(jī)葉片，飛機(jī)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(nèi)部情況等等。前不久新興起一種集裝箱的檢測方式方法-介子斷層掃描技術(shù)，它能夠檢測到以前傳統(tǒng)的檢測技術(shù)檢測不出來的材料，比方把東西裝進(jìn)鉛盒里，X透視法就無能為力了，而介子則能夠做到；它沒有輻射危害，檢測速度快，穿透力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在不久的將來將是一種較有應(yīng)用前景的安檢手段。6其他領(lǐng)域比方在考古領(lǐng)域，核物理在考古領(lǐng)域的應(yīng)用主要有加速器質(zhì)譜儀〔AMS〕技術(shù)，它能夠通過測定小樣品的14C含量來測地質(zhì)年份[6].如今最新的測量精度已經(jīng)到達(dá)了0.2%~03%,大大減小了14C測年的誤差[7].在環(huán)保領(lǐng)域，主要應(yīng)用在環(huán)境污染的治理，以及環(huán)境監(jiān)測保衛(wèi)等方面。在治理污染方面；比方在火電站工作時(shí)會排放大量的SO2,NOx氣體，用電子束煙氣脫硫技術(shù)[8],能夠使得煙氣中的SO2,NOx變成硫酸銨和硝酸銨，最終實(shí)現(xiàn)消除污染物，而且生成物還能夠用作肥料，既消除了污染，又能廢物利用，一舉多得。而在環(huán)境監(jiān)測方面，其實(shí)在前面曾經(jīng)提到過的某些領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用也穿插應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測方面的，比方講裝有核電池的導(dǎo)航浮標(biāo)，放在深海的監(jiān)聽器，這些都是能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)的監(jiān)測。如今核技術(shù)已經(jīng)是環(huán)境監(jiān)測中不可或缺的一種重要手段。7結(jié)束語自1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象以來才過去了短短百余年，核物理卻已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展，同時(shí)也和各個(gè)學(xué)科建立了廣泛的聯(lián)絡(luò)，核技術(shù)不僅對我們的生活，也對世界的變化產(chǎn)生了宏大的深遠(yuǎn)的影響，瞻望將來，核技術(shù)將會繼續(xù)與各個(gè)學(xué)科的不斷的穿插浸透，造福世界，造福人類。以下為參考文獻(xiàn)：[1]任德曦，肖東生，胡泊。世界核電布局走向及對我們國家核電布局的啟示[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)〔社會科學(xué)版〕，2020,14〔5〕：1-10.[2]范世濤。世界能源格局：四大趨勢[J].經(jīng)濟(jì)研究參考，2020〔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(yīng)用[J].原子核物理評論，2006,23〔3〕：353-358.