什么是核物理學(xué)

【專家解說】：編輯詞條核物理學(xué) 核物理學(xué)又稱原子核物理學(xué)，是20世紀(jì)新建立的一個物理學(xué)分支。它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律；射線束的產(chǎn)生、探測和分析技術(shù)；以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。它是一門既有深刻理論意義，又有重大實(shí)踐意義的學(xué)科。 核物理學(xué)的發(fā)展歷史 初期 1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，這是人們第一次觀察到的核變化?，F(xiàn)在通常就把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理學(xué)的開端。此后的40多年，人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對原子核做了初步的探討，這是核物理發(fā)展的初期階段。 在這一時(shí)期，人們?yōu)榱颂綔y各種射線，鑒別其種類并測定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測方法和測量儀器。大多數(shù)的探測原理和方法在以后得到了發(fā)展和應(yīng)用，有些基本設(shè)備，如計(jì)數(shù)器、電離室等，沿用至今。 探測、記錄射線并測定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個中心環(huán)節(jié)。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點(diǎn)，確立了衰變規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性。統(tǒng)計(jì)性是微觀世界物質(zhì)運(yùn)動的一個重要特點(diǎn)，同經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律有原則上的區(qū)別。 放射性元素能發(fā)射出能量很大的射線，這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測α射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后不久，人們便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀世界物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)。 1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊氮核會放出質(zhì)子，這是首次用人工實(shí)現(xiàn)的核蛻變(核反應(yīng))。此后用射線轟擊原子核來引起核反應(yīng)的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。 在初期的核反應(yīng)研究中，最主要的成果是1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質(zhì)子組成的，中子的發(fā)現(xiàn)為核結(jié)構(gòu)的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進(jìn)入原子核而引起核反應(yīng)。因此，中子核反應(yīng)成為研究原子核的重要手段。在30年代，人們還通過對宇宙線的研究發(fā)現(xiàn)了正電子和介子，這些發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的先河。 20世紀(jì)20年代后期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初，靜電、直線和回旋等類型的加速器已具雛形，人們在高壓倍加器上進(jìn)行了初步的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。利用加速器可以獲得束流更強(qiáng)、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴(kuò)展了核反應(yīng)的研究工作。此后，加速器逐漸成為研究原子核和應(yīng)用技術(shù)的必要設(shè)備。 在核物理發(fā)展的最初階段人們就注意到它的可能的應(yīng)用，并且很快就發(fā)現(xiàn)了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當(dāng)時(shí)就受到社會重視的重要原因，直到今天，核醫(yī)學(xué)仍然是核技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。 大發(fā)展時(shí)期 20世紀(jì)40年代前后，核物理進(jìn)入一個大發(fā)展的階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象；1942年，費(fèi)密建立了第一個鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆，這是人類掌握核能源的開端。 在30年代，人們最多只能把質(zhì)子加速到一百萬電子伏特的數(shù)量級，而到70年代，人們已能把質(zhì)子加速到四千億電子伏特，并且可以根據(jù)工作需要產(chǎn)生各種能散度特別小、準(zhǔn)直度特別高或者流強(qiáng)特別大的束流。 20世紀(jì)40年代以來，粒子探測技術(shù)也有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用大大提高了測定射線能量的分辨率。核電子學(xué)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展從根本上改善了獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)也大大擴(kuò)展了理論計(jì)算的范圍。所有這一切，開拓了可觀測的核現(xiàn)象的范圍，提高了觀測的精度和理論分析的能力，從而大大促進(jìn)了核物理研究和核技術(shù)的應(yīng)用。 通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，人們對原子核的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律有了較深入的認(rèn)識?；九辶撕俗?質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱)之間的相互作用的各種性質(zhì)，對穩(wěn)定核素或壽命較長的放射性核素的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)已積累了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并通過理論分析，建立了各種適用的模型。 通過核反應(yīng)，已經(jīng)人工合成了17種原子序數(shù)大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進(jìn)一步表明，元素僅僅是在一定條件下相對穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單位，并不是永恒不變的。 天體物理的研究表明，核過程是天體演化中起關(guān)鍵作用的過程，核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中，各種元素都有一個發(fā)展變化的過程，都處于永恒的變化之中。 通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發(fā)現(xiàn)了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子。龐大的粒子家族的發(fā)現(xiàn)，把人們對物質(zhì)世界的研究推進(jìn)到一個新的階段，建立了一門新的學(xué)科——粒子物理學(xué)，有時(shí)也稱為高能物理學(xué)。各種高能射線束也是研究原子核的新武器，它們能提供某些用其他方法不能獲得的關(guān)于核結(jié)構(gòu)的知識。 過去，通過對宏觀物體的研究，人們知道物質(zhì)之間有電磁相互作用和萬有引力(引力相互作用)兩種長程的相互作用；通過對原子核的深入研究，才發(fā)現(xiàn)物質(zhì)之間還有兩種短程的相互作用，即強(qiáng)相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是對傳統(tǒng)的物理學(xué)時(shí)空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規(guī)律和它們之間可能的聯(lián)系，探索可能存在的靳的相互作用，已成為粒子物理學(xué)的一個重要課題。毫無疑問，核物理研究還將在這一方面作出新的重要的貢獻(xiàn)。 核物理的發(fā)展，不斷地為核能裝置的設(shè)計(jì)提供日益精確的數(shù)據(jù)，從而提高了核能利用的效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并為更大規(guī)模的核能利用準(zhǔn)備了條件。人工制備的各種同位素的應(yīng)用已遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門。新的核技術(shù)，如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)、晶體的溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)，以及擾動角關(guān)聯(lián)技術(shù)等都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志之一。 完善和提高 20世紀(jì)70年代，由于粒子物理逐漸成為一門獨(dú)立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切，核物理進(jìn)入了一個縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。 在現(xiàn)階段，粒子加速技術(shù)已有了新的進(jìn)展。由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子，其能量可達(dá)到十億電子伏每核子。這就大大擴(kuò)充了人們變革原子核的手段，使重離子核物理的研究得到全面發(fā)展。 隨著高能物理的發(fā)展，人們已能建造強(qiáng)束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴(kuò)充了人們研究原子核的手段，使高能核物理成為富有生氣的研究方面。 從核物理基礎(chǔ)研究看，主要目標(biāo)在兩個方面：一是通過核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和相互作用，特別是核子間的相互作用；再者是核多體系的運(yùn)動形態(tài)的研究。很明顯，核運(yùn)動形態(tài)的研究將在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)占據(jù)著核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。 核物理學(xué)的應(yīng)用 核物理研究之所以受到人們的重視得到社會的大力支持，是和它具有廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值密切相關(guān)的。目前，幾乎沒有一個核物理實(shí)驗(yàn)室不在從事核技術(shù)的應(yīng)用研究。有些設(shè)備甚至主要從事核技術(shù)應(yīng)用工作。 核技術(shù)應(yīng)用主要為核能源的開發(fā)服務(wù)，如提供更精確的核數(shù)據(jù)和探索更有效地利用核能的途徑等；另外，同位素的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。同位素示蹤已應(yīng)用于各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域；同位素藥劑應(yīng)用于某些疾病的診斷或治療；同位素儀表在各工業(yè)部門用作生產(chǎn)自動線監(jiān)測或質(zhì)量控制裝置。 加速器及同位素輻射源已應(yīng)用于工業(yè)的輻照加工、食品的保藏和醫(yī)藥的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫(yī)療等方面。為了研究輻射與物質(zhì)的相互作用以及輻照技術(shù)，已經(jīng)建立了輻射物理、輻射化學(xué)等邊緣學(xué)科以及輻照工藝等技術(shù)部門。 由于中子束在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理。高分子物理等方面的廣泛應(yīng)用，人們建立了專用的高中子通量的反應(yīng)堆來提供強(qiáng)中子束。中子束也應(yīng)用于輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應(yīng)是一個重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的療效。 離子束的應(yīng)用是越來越受到注意的一個核技術(shù)部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設(shè)計(jì)的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制備半導(dǎo)體器件的重要手段。離子束已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)和固體物理的研究工作。離子束也是用來進(jìn)行無損、快速、痕量分析的重要手段，特別是質(zhì)子微米束，可用來對表面進(jìn)行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。 在原子核物理學(xué)誕生、壯大和鞏固的全過程中，通過核技術(shù)的應(yīng)用，核物理和其他學(xué)科及生產(chǎn)、醫(yī)療、軍事等部分建立了廣泛的聯(lián)系，取得了有力的支持；核物理基礎(chǔ)研究又為核技術(shù)的應(yīng)用不斷開辟新的途徑。核基礎(chǔ)研究和核技術(shù)應(yīng)用的需要，推進(jìn)了粒子加速技術(shù)和核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展；而這兩門技術(shù)的新發(fā)展，又有力地促進(jìn)了核物理的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。