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探索微观世界的核物理,正在现实生活中绽放

本文是一篇关于核物理与核应用的综述,选自《未来10年中国学科发展战略・物理学》。“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部“学科发展战略研究”的成果,出版于2012年。本文是当年对核物理与核技术发展态势的总结,也可以作为一篇全面的科普介绍。我们能看到,短短十年,许多方面有了极大的变化,但也仍有许多悬而未决的问题。

撰文丨战略研究组

一发展规律和特点

核物理是以研究强相互作用为主,也涉及弱相互作用和电磁相互作用的一个物理学分支。人类对强相互作用的认识远不及电弱相互作用。例如,我们对基本的核力还不甚清楚。虽然量子色动力学已被广泛接受为强相互作用的基本理论,并在微扰区域取得了巨大的成功,但是非微扰物理如夸克禁闭仍然是没有解决的基本物理问题。核物理研究的目标就是探索由强相互作用控制的物质的结构和状态。

原子结构示意图

核物理学学科起源于一个偶然的实验发现。贝克勒尔于1896年在对当时的国际物理学热点课题――X射线相关问题进行探索时,出乎预料发现铀自发放射出一种未知的射线。居里夫妇通过对这种新放射性的研究,发现了两个新的化学元素――钋和镭;卢瑟福发现了不同种类的放射性,并利用天然阿尔法射线和原子的散射表明原子有一个核心,即存在原子核。

随着中子的进一步发现,人们明确知道原子核由质子和中子组成,核物理学学科基础研究进入大发展时期,之后发现了强相互作用和弱相互作用这两种新的相互作用形式。而随着原子核裂变的发现和战争与核能利用的需要,核物理学受到了一些国家政府的重视,促进了核物理基础研究的发展,一大批加速器被建造。核物理学家通过加速器合成了新的化学元素和新核素,通过实验获得了大批核数据,从而建立和完善了一些基本原子核模型,如原子核的液滴模型、壳模型、集体模型和核反应模型等。

反过来,理论预言又进一步推动了实验的发展,从而带来了实验研究和理论研究的互动。对于原子核反应和衰变的研究,还使人们明确了太阳的能量来源于核聚变反应,知道了宇宙中一些化学元素及重原子核的生成机制,放射性的研究使科学家正确估计出地球的年龄。所以核物理学学科是物理学的一个重要分支,它对自然科学其他领域的发展有重要推动作用。

人造元素

从能量或物质组成单元来看,核物理研究分为低能和中高能核物理,分别对应物质的核子、介子和夸克层次。核物理又可分为核结构和核反应两部分。前者讨论原子核的结构,后者强调粒子碰撞的动力学。从20世纪60、70年代开始,基于对物质深层次结构和QCD真空态的认识,人们开始将微观动力学研究和宏观的物质态研究联系起来,探索高温高密条件下的QCD性质和强相互作用的对称性质。

核物理研究的一个显著特点是大型核实验装置的关键作用。近年来有许多大型核物理实验装置立项建造和投入运行。例如,在低中能核物理领域有我国HIRFL-CSR以及中国原子能科学研究院的放射性束装置BRIFII,日本放射性离子束工厂RBF/RIKEN,和美国稀有同位素束流装置FRIB/MSU。在核子物理领域有美国的电子束流装置CEBAF以及近年来它的改进升级版,德国DESY采用质子束流HERA,欧洲核子研究中心采用电子束流COMPASS,德国于利希研究中心采用质子束流COSY,日本有JPARC。在高能核物理领域有美国RHIC、德国反质子和离子研究装置FAIR/GSI,欧洲核子研究中心LHC-ALICE。这些新装置的建成和投入使用,为核物理研究带来了崭新的机遇。

兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR

核物理的另一个特点是,研究对象为由强相互作用动力学控制的微观多粒子体系,这导致核物理研究与当前物理学的两个难题紧密联系。

一是低能强相互作用规律。虽然QCD被广泛接受为强相互作用理论,并且在高能极限用微扰论获得了极大的成功,但如何用它描述低能强子之间的相互作用仍然是没有解决的难题。

二是多粒子动力学。对于单体或两体问题,如果已知相互作用形式可用经典力学或量子力学处理,对于粒子数趋于无限的体系,又可用统计力学来进行描述。但原子核是处于这两者之间的多粒子体系,不可能用力学或统计方法来严格处理。考虑到微观体系的小时空尺度、边界效应和非平衡效应,问题更加复杂。

这两个难题一方面使核物理研究面对的是一个复杂的微观体系,另一方面使核物理始终是物理学甚至是整个物质科学的前沿领域之一。

多粒子体系

核技术是基于核效应、核辐射和核装置的应用学科,按技术手段可分两大类:一是基于核装置(加速器、反应堆等)的核技术,二是基于放射性核素的核技术。传统的核技术包括加速器技术、核探测技术、辐照技术、离子束分析技术、X射线分析技术中子活化分析技术、中子散射技术、放射性标记与示踪技术、核影像技术、辐射防护等。

核技术应用范围很广,在能源、医学、材料、生命、环境、地质考古、农业、国防、安全等领域都有十分重要的应用核技术及应用涉及国家安全和经济发展,具有十分重要的地位,属战略高技术。

医疗用核磁共振成像技术

二发展现状和趋势

01 原子核物理

目前,国际核物理界普遍认为,当前核物理研究的热点和机遇包括以下四个方面:极端条件下的核结构、核内夸克的动力学、相对论重离子碰撞与夸克胶子等离子体、核天体物理。总体来说,当前核物理研究的趋势是朝极端条件(高能、高温、高密、高自旋、远离稳定线、超重核等)以及与粒子物理、天体物理结合两个方向发展。

(1)极端条件下的核结构

20世纪80年代以前,核物理学家详细地研究了β稳定线附近几百种核素的性质,建立了原子核壳模型、集体模型、集团模型和一些核反应模型。在那以后,放射性束流装置和探测器的研制取得了很大进展,使得实验上合成和研究远离稳定线的核成为可能。

近20年来,放射性核束物理构成了核物理学的一个新的领域,研究在新型大科学装置上已经或即将产生的数千个非稳定(unstable)原子核的性质。虽然现有的研究还是初步的,但已导致核物理学各个分支领域的巨大发展。

①核结构:挑战基于稳定线附近的核,提出的核结构理论模型,如壳层模型和集体模型,同时有可能发现原子核中新的运动方式,现已经发现了奇特轻核有晕结构、集团结构、新幻数、非线性多核子关联等新奇的量子多体现象。

②核衰变:几千种不稳定的远离β稳定线奇特核将提供极为丰富的核衰变种类,从中可以发现全新的衰变模式,如质子放射性(单质子或双质子)结团放射性、β-缓发中子、β-缓发质子、β-缓发裂变等。

③核反应:由于核素种类大大增多,将出现许多新的核反应体系,这些新的核反应体系将会导致新的反应类型和反应机制的发现,已经观察到反常截面增大、多反应道耦合、集团破裂和多步转移等新的核反应机制和效应。

④应用:现今核能的开发利用都是基于过去关于稳定核的结构、衰变和反应的知识,如今对远离β稳定线奇特核的结构、衰变和反应的研究,将可能提供新的核链式反应的知识,使人们产生开发利用核能的新构思。放射性核束物理研究是对大批未知原子核的开创性研究工作,将合成许多新的原子核并研究它们的各种性质,这可能改变人们对原子核的传统认识,发现完全新奇的核现象和新的物理规律。

原子的结构组成示意图

铀238的α衰变

两种核反应示意图

(2)核内夸克的动力学

夸克和胶子是如何构成核子的?核子是体现强相互作用理论QCD的三种颜色合成无色及其非阿贝尔特性的最简单的体系,但目前我们仍不能用QCD理论定量地描述核子的内部夸克-胶子结构,甚至连核子内部的有效自由度到底是什么都还不清楚。

核子结构的经典图像是由三个夸克组成,但越来越多的实验迹象表明核子内部含有显著的多夸克成分,胶子成分也对核子自旋极化等问题有贡献。各种理论模型预言的很多核子激发态也都没有找到,寻找"失踪”的重子激发态是当前国际中高能核物理研究的一个热点。

此外,如何在夸克层次上描述核子间的相互作用,是否存在多夸克态、双重子态,核内核子的夸克胶子结构与自由核子有何不同等,都对了解强相互作用至关重要。由于非微扰特征。如夸克胶子禁闭和手征对称性自发破缺,使得QCD描述低能强相互作用的困难很大。目前,只能使用格点QCD和有效场论以及QCD大NC展开等描述部分现象。如何直接从QCD理论研究强相互作用的性质,是物理学面临的重大挑战。

夸克模型中的强子,里面是夸克

高能正负电子对撞实验中的三喷注现象,显示了胶子的存在,连接各小球的就是胶子

(3)相对论重离子碰撞与夸克胶子等离子体

QCD是强相互作用的基本理论。虽然微扰QCD取得了极大的成功,但低能禁闭和真空对称破缺等非微扰现象一直是粒子物理与核物理中的难题。1974年,李政道提出,通过相对论重离子碰撞在一个较大的体积内产生高能量密度使得物理真空的破缺对称性得到恢复,夸克胶子解除禁闭,在一个比强子尺度大的时空范围内运动。夸克胶子运动空间的扩展意味着发生了从强子物质到夸克物质的退禁闭相变,产生的夸克物质叫做夸克胶子等离子体(QGP) 。

另一个重要的QCD相变是真空中自发破缺的手征对称性在有限温度密度时的恢复。根据现代宇宙学,高温夸克物质可能是大爆炸后瞬间宇宙所处的状态,探索和研究高温夸克物质能加深我们对早期宇宙的认识。对于目前存在于宇宙中的致密星体,其内部很可能处于高密度夸克物质或强子物质态。

在地球上,相对论重离子碰撞是在实验室产生新物质形态的唯一可能手段。已有明显的证据显示在实验中可能已经产生了新的物质形态。由于高温高密的QGP只可能是重离子碰撞的中间状态,低温低密的末态仍然是轻子强子态,碰撞系统是否经历过QGP状态要由末态分布来反推。具有QGP特征的末态分布称为产生了QGP的信号。由于QCD相变本身处于强耦合区域,不能用微扰理论,目前研究相变的理论工具主要是格点QCD计算和具有QCD对称性的有效模型。如何确定QCD相变的信号和研究强耦合夸克物质的性质是目前相对论重离子碰撞和夸克物质研究的中心问题。

在非常高的温度和密度下,有自由的、不受束缚的夸克-胶子等离子体

(4)核天体物理

核天体物理是研究微观世界的核物理与研究宏观世界的天体物理相结合形成的交叉学科,它应用核物理的知识和规律阐释恒星中核过程产生的能量及其对恒星结构和演化进程的影响。

核过程是恒星抗衡其自引力收缩的主要能源和宇宙中各种核素赖以合成的唯一机制,在大爆炸以后的宇宙和天体演化进程中起极为重要的作用。恒星平稳核燃烧阶段中的核过程基本上是沿稳定路径发展的核反应。在新星、超新星和X射线爆等爆发性天体事件的高温环境中,发生的核反应与核素表中的稳定原子核全然不同。在拥有强放射性核束的今天,人们能够在实验室里再现这些反应的过程。

目前,对于离稳定线不远的核素,已经有相关数据;而对于远离稳定线特别是在反应路径附近的核素,数据较少或根本没有。反应路径本身与爆发性天体事件的物理环境(温度、密度,化学组成等)相关,当温度和密度很高时可能接近质子和中子滴线。爆发性天体事件中的核过程是当前核天体物理的前沿领域,相关数据的测量是极具挑战性的研究工作。

宇宙大爆炸示意图

02 核技术

核影像技术是最早应用的核技术,自从伦琴发现了X射线以后不久,便开始了核影像技术的应用。在人类健康以及医学诊断中的应用是核影像技术成功应用的范例。

近20年来,以核影像技术为支撑的核医学与分子影像学的发展尤为迅速,成为医学临床诊断不可缺少的手段。核医学功能影像可以比结构成像更早地发现病变,能够真实地反映出疾病的发生和发展过程,在脑血管、心血管疾病和肿瘤诊断等方面成为疾病判定、治疗效果评价的有效和重要的指标。世界各国的主要核科学研究机构纷纷利用核科学的基础开展相关的技术研究,如欧洲核子研究中心(CERN)美国DOE的诸多国家实验室、日本理化学研究所(RIKEN)、日本国家放射科学研究所(NIRS)等,都在加强成像技术研究及在神经、认知、肿瘤等方面的应用研究。美国国立卫生研究院(NIH)2001年就成立了美国国家生物医学成像和生物工程研究院(NBIB),其使命就是集中和协调将工程学和成像科学应用于生物学、医学等领域的基础研究。

正电子发射计算机断层显像,目前进行人体功能显像的最先进的医学影像技术

放射治疗是核技术在人类健康方面的另一重要应用。恶性肿瘤是常见病多发病,也是对人类健康危害极大的疾病,一直困扰着世界各国的医学界,居各种死亡原因的第二位。目前,手术、放射治疗和化学治疗是肿瘤治疗的三大手段。据统计,经不同方法治疗的癌症患者五年存活率已达45%以上,其中有四成是经过放射治疗的患者。

近年来,各种先进技术在基于加速器的放射治疗领域的应用(调强治疗、图像引导治疗、质子治疗、重离子治疗等)使得癌症放射治疗的治愈率和有效控制率明显提高,放射治疗使某些早期局部性肿瘤获得根治,同时,放射治疗对癌症所在部位器官及其功能的保留有重要意义。特别是近几年,电子直线加速器在X波段及C波段的发展使其进一步小型化,产生了一些新的放疗设备,并逐步产业化。鉴于质子及重离子在放射治疗中的独特优势,各国相继开展了专门用于放射治疗的质子和重离子回旋及同步加速器的研究。可以预见,今后相当长的时期内放射治疗仍会在肿瘤治疗手段中占有重要地位。

医疗用放射治疗仪

核能利用是核技术应用的最重要方面之一,几乎涉及了核技术所有的技术方法,是核技术综合应用的最好实例。一个国家核能利用水平的高低,往往也是其核技术及应用水平高低的综合体现。安全、洁净、高效的核能利用是世界各大国竞相投入巨资进行研究发展的重点领域。

大亚湾核电站

核技术在国家安全方面具有重要的用途。有毒有害物质以及爆炸物是危害国家安全和社会稳定的重要根源之一,其检测和诊断技术的发展在全世界各个国家受到广泛的重视,目前发展的技术手段基本上都是基于核技术,包括离子迁移率谱仪(MS)中子散射、相干X射线、核四极共振等,其中MS技术因具备快速、高效、灵敏和小型等优点得到了最广泛的开展和应用。此外,基于加速器X射线源的集装箱检测技术,用于海关口岸检测走私、违禁物品,发挥了重要作用,产生了重大的社会效益和经济效益。

离子感烟火警报警器

核技术在考古学和文物研究方面发挥了重要作用。核技术的应用从根本上改变了考古学的面貌,使之逐渐成为定量表达的科学。核技术一经应用于考古学,便不断地揭示出古代遗存的丰富潜信息,使考古研究提高到一个新的层次,从根本上改变了它的研究面貌,因而,从某种意义上讲,核技术对考古学的发展有着特殊重要的意义。核分析技术因为具有无损分析的能力,在珍贵文物的研究中发挥了不可替代的作用。

114C衰变过程,以现代碳十四的放射水平作为标准与测量标本中的碳十四相比较,由此推算出含碳物质碳十四死亡或停止交换的年代

辐照技术是核技术应用的传统领域之一,在基础研究、应用开发及工业生立中得到了广泛应用。辐射技术主要利用辐射效应来解决特殊的技术问题。20世纪50年代,英国科学家发现聚乙烯电缆在核反应堆中受到辐照后发生交联的现象,高分子材料的辐射效应及辐射加工得到迅速发展。1962年美国科学家利用脉冲电子加速器并采用时间分辨技术观察到了辐射产生的水合电子,迅速推动了辐射化学和辐射技术的发展。

利用高能射线对物质进行照射引发的电离及各种后效应,辐射技术已经在聚合物材料、高性能纤维、食品灭菌与保鲜、医疗用品消毒、植物与微生物育种、环境治理、纳米材料甚至文物保护、能源等须域发挥了重要作用。经过几十年的发展,辐照技术方法已相对比较成熟,目前主要着重于推广应用中的关键技术问题以及辐射生物学效应研究等,在国际上仍然呈现较快的发展态势。此外,辐射化学与其他学科交叉亦有较广阔的前途。

辐照后的聚乙烯电缆

同步辐射技术作为一种基于加速器的核技术的扩展,近20年来在国际上得到了极为迅速的发展。同步辐射光源是由高能量电子或正电子作加速运动时发射出电磁辐射的装置。同步辐射光源具有常规光源所不具备的宽连续谱、高亮度、高准直性、高偏振性、脉冲时间结构和高纯净等特性。它的应用为诸多学科的基础研究、科学技术的发展及其应用提供了强大的实验技术手段和综合研究平台,极大地促进了多个学科(如结构生物学、分子环境科学等)的快速发展。它的建造和运行对加速器技术和其他高技术有重要推动作用。

目前国际上在这一领域的研究工作有两方面的特色。一方面是同步辐射先进技术和新方法的研究。高空间分辨实验技术与方法:典型空间分辨尺度由微米向纳米推进快时间分辨实验技术,典型时间分辨尺度由微秒(us)至纳秒(ns)向纳秒至皮秒(ps)推进。高能量分辨实验技术,典型能量分辨率由eV向meV推进。高动量分辨实验技术、高灵敏度实验技术以及利用同步光极化特性的实验技术与方法等,与之相关联的分析理论方法的发展日益受到重视。

这些先进技术方法的发展大大扩展了同步辐射应用的范围与深度,加深了对物质各层次结构和性质的认识,丰富和发展了非稳态结构和动力学过程的知识与理论,使其在物理学、化学、生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、地学、医学微电子学和微机械加工等领域有广泛应用。

另一方面是同步辐射在上述各领域的广泛应用,特别是在生命科学、材料科学、能源科学环境科学、医药学等具有重要实用前景的学科领域中的应用,可望对人类健康与社会经济可持续发展产生重大影响。目前国际上已运行的第三代同步辐射光源,平均每台每年可供来自各学科领域的数千用户开展各类课题研究,是天然的学科交叉研究平台,受到了世界各国科技界的关注。到目前为止,全世界已运行和在建的同步辐射装置超过60台,为数以万计的研究课题提供实验研究平台。

上海同步辐射光源

基于粒子加速器技术发展的高强度中子源技术(散裂中子源)把中子技术及应用推向了一个新的高度,大大扩展了常规中子散射技术应用的广度和深度成为诸多学科研究和技术发展的一种重要手段。另外,国际上许多大学及研究机构也在相继开展基于加速器的小型中子源的研究。例如,美国印第安纳大学基于质子加速器的低能中子源(low energy neutron source, LENS)、日本北海道大学基于电子直线加速器的中子源等,在中子和质子科学方面,开展创新性的研究工作及中子质子应用创新型人才的培养。

英国散裂中子源模型图

本文经授权转载自微信公众号“吉林大学物理学院”,原文摘自《未来10年中国学科发展战略・物理学》“核物理与核技术”一节。