本文是一篇關(guān)于核物理與核應(yīng)用的綜述，選自《未來(lái)10年中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·物理學(xué)》?！拔磥?lái)10年中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略”叢書(shū)是國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院學(xué)部“學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究”的成果，出版于2012年。本文是當(dāng)年對(duì)核物理與核技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)的總結(jié)，也可以作為一篇全面的科普介紹。我們能看到，短短十年，許多方面有了極大的變化，但也仍有許多懸而未決的問(wèn)題。

撰文丨戰(zhàn)略研究組

一

發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)

核物理是以研究強(qiáng)相互作用為主，也涉及弱相互作用和電磁相互作用的一個(gè)物理學(xué)分支。人類(lèi)對(duì)強(qiáng)相互作用的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不及電弱相互作用。例如，我們對(duì)基本的核力還不甚清楚。雖然量子色動(dòng)力學(xué)已被廣泛接受為強(qiáng)相互作用的基本理論，并在微擾區(qū)域取得了巨大的成功，但是非微擾物理如夸克禁閉仍然是沒(méi)有解決的基本物理問(wèn)題。核物理研究的目標(biāo)就是探索由強(qiáng)相互作用控制的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。

原子結(jié)構(gòu)示意圖

核物理學(xué)學(xué)科起源于一個(gè)偶然的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。貝克勒爾于1896年在對(duì)當(dāng)時(shí)的國(guó)際物理學(xué)熱點(diǎn)課題——X射線相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探索時(shí)，出乎預(yù)料發(fā)現(xiàn)鈾自發(fā)放射出一種未知的射線。居里夫婦通過(guò)對(duì)這種新放射性的研究，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的化學(xué)元素——釙和鐳；盧瑟福發(fā)現(xiàn)了不同種類(lèi)的放射性，并利用天然阿爾法射線和原子的散射表明原子有一個(gè)核心，即存在原子核。

隨著中子的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，人們明確知道原子核由質(zhì)子和中子組成，核物理學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，之后發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)相互作用和弱相互作用這兩種新的相互作用形式。而隨著原子核裂變的發(fā)現(xiàn)和戰(zhàn)爭(zhēng)與核能利用的需要，核物理學(xué)受到了一些國(guó)家政府的重視，促進(jìn)了核物理基礎(chǔ)研究的發(fā)展，一大批加速器被建造。核物理學(xué)家通過(guò)加速器合成了新的化學(xué)元素和新核素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了大批核數(shù)據(jù)，從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、殼模型、集體模型和核反應(yīng)模型等。

反過(guò)來(lái)，理論預(yù)言又進(jìn)一步推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，從而帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)研究和理論研究的互動(dòng)。對(duì)于原子核反應(yīng)和衰變的研究，還使人們明確了太陽(yáng)的能量來(lái)源于核聚變反應(yīng)，知道了宇宙中一些化學(xué)元素及重原子核的生成機(jī)制，放射性的研究使科學(xué)家正確估計(jì)出地球的年齡。所以核物理學(xué)學(xué)科是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，它對(duì)自然科學(xué)其他領(lǐng)域的發(fā)展有重要推動(dòng)作用。

人造元素

從能量或物質(zhì)組成單元來(lái)看，核物理研究分為低能和中高能核物理，分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)的核子、介子和夸克層次。核物理又可分為核結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)兩部分。前者討論原子核的結(jié)構(gòu)，后者強(qiáng)調(diào)粒子碰撞的動(dòng)力學(xué)。從20世紀(jì)60、70年代開(kāi)始，基于對(duì)物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和QCD真空態(tài)的認(rèn)識(shí)，人們開(kāi)始將微觀動(dòng)力學(xué)研究和宏觀的物質(zhì)態(tài)研究聯(lián)系起來(lái)，探索高溫高密條件下的QCD性質(zhì)和強(qiáng)相互作用的對(duì)稱性質(zhì)。

核物理研究的一個(gè)顯著特點(diǎn)是大型核實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵作用。近年來(lái)有許多大型核物理實(shí)驗(yàn)裝置立項(xiàng)建造和投入運(yùn)行。例如，在低中能核物理領(lǐng)域有我國(guó)HIRFL-CSR以及中國(guó)原子能科學(xué)研究院的放射性束裝置BRIFII，日本放射性離子束工廠RBF/RIKEN，和美國(guó)稀有同位素束流裝置FRIB/MSU。在核子物理領(lǐng)域有美國(guó)的電子束流裝置CEBAF以及近年來(lái)它的改進(jìn)升級(jí)版，德國(guó)DESY采用質(zhì)子束流HERA，歐洲核子研究中心采用電子束流COMPASS，德國(guó)于利希研究中心采用質(zhì)子束流COSY，日本有JPARC。在高能核物理領(lǐng)域有美國(guó)RHIC、德國(guó)反質(zhì)子和離子研究裝置FAIR/GSI，歐洲核子研究中心LHC-ALICE。這些新裝置的建成和投入使用，為核物理研究帶來(lái)了嶄新的機(jī)遇。

蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)HIRFL-CSR

核物理的另一個(gè)特點(diǎn)是，研究對(duì)象為由強(qiáng)相互作用動(dòng)力學(xué)控制的微觀多粒子體系，這導(dǎo)致核物理研究與當(dāng)前物理學(xué)的兩個(gè)難題緊密聯(lián)系。

一是低能強(qiáng)相互作用規(guī)律。雖然QCD被廣泛接受為強(qiáng)相互作用理論，并且在高能極限用微擾論獲得了極大的成功，但如何用它描述低能強(qiáng)子之間的相互作用仍然是沒(méi)有解決的難題。

二是多粒子動(dòng)力學(xué)。對(duì)于單體或兩體問(wèn)題，如果已知相互作用形式可用經(jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)處理，對(duì)于粒子數(shù)趨于無(wú)限的體系，又可用統(tǒng)計(jì)力學(xué)來(lái)進(jìn)行描述。但原子核是處于這兩者之間的多粒子體系，不可能用力學(xué)或統(tǒng)計(jì)方法來(lái)嚴(yán)格處理?？紤]到微觀體系的小時(shí)空尺度、邊界效應(yīng)和非平衡效應(yīng)，問(wèn)題更加復(fù)雜。

這兩個(gè)難題一方面使核物理研究面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜的微觀體系，另一方面使核物理始終是物理學(xué)甚至是整個(gè)物質(zhì)科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一。

多粒子體系

核技術(shù)是基于核效應(yīng)、核輻射和核裝置的應(yīng)用學(xué)科，按技術(shù)手段可分兩大類(lèi)：一是基于核裝置（加速器、反應(yīng)堆等）的核技術(shù)，二是基于放射性核素的核技術(shù)。傳統(tǒng)的核技術(shù)包括加速器技術(shù)、核探測(cè)技術(shù)、輻照技術(shù)、離子束分析技術(shù)、X射線分析技術(shù)中子活化分析技術(shù)、中子散射技術(shù)、放射性標(biāo)記與示蹤技術(shù)、核影像技術(shù)、輻射防護(hù)等。

核技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，在能源、醫(yī)學(xué)、材料、生命、環(huán)境、地質(zhì)考古、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、安全等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用核技術(shù)及應(yīng)用涉及國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有十分重要的地位，屬戰(zhàn)略高技術(shù)。

醫(yī)療用核磁共振成像技術(shù)

二

發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

01 原子核物理

目前，國(guó)際核物理界普遍認(rèn)為，當(dāng)前核物理研究的熱點(diǎn)和機(jī)遇包括以下四個(gè)方面：極端條件下的核結(jié)構(gòu)、核內(nèi)夸克的動(dòng)力學(xué)、相對(duì)論重離子碰撞與夸克膠子等離子體、核天體物理?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)前核物理研究的趨勢(shì)是朝極端條件 (高能、高溫、高密、高自旋、遠(yuǎn)離穩(wěn)定線、超重核等) 以及與粒子物理、天體物理結(jié)合兩個(gè)方向發(fā)展。

（1）極端條件下的核結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代以前，核物理學(xué)家詳細(xì)地研究了β穩(wěn)定線附近幾百種核素的性質(zhì)，建立了原子核殼模型、集體模型、集團(tuán)模型和一些核反應(yīng)模型。在那以后，放射性束流裝置和探測(cè)器的研制取得了很大進(jìn)展，使得實(shí)驗(yàn)上合成和研究遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核成為可能。

近20年來(lái)，放射性核束物理構(gòu)成了核物理學(xué)的一個(gè)新的領(lǐng)域，研究在新型大科學(xué)裝置上已經(jīng)或即將產(chǎn)生的數(shù)千個(gè)非穩(wěn)定 (unstable) 原子核的性質(zhì)。雖然現(xiàn)有的研究還是初步的，但已導(dǎo)致核物理學(xué)各個(gè)分支領(lǐng)域的巨大發(fā)展。

①核結(jié)構(gòu)：挑戰(zhàn)基于穩(wěn)定線附近的核，提出的核結(jié)構(gòu)理論模型，如殼層模型和集體模型，同時(shí)有可能發(fā)現(xiàn)原子核中新的運(yùn)動(dòng)方式，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了奇特輕核有暈結(jié)構(gòu)、集團(tuán)結(jié)構(gòu)、新幻數(shù)、非線性多核子關(guān)聯(lián)等新奇的量子多體現(xiàn)象。

②核衰變:幾千種不穩(wěn)定的遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線奇特核將提供極為豐富的核衰變種類(lèi)，從中可以發(fā)現(xiàn)全新的衰變模式，如質(zhì)子放射性 (單質(zhì)子或雙質(zhì)子) 結(jié)團(tuán)放射性、β-緩發(fā)中子、β-緩發(fā)質(zhì)子、β-緩發(fā)裂變等。

③核反應(yīng)：由于核素種類(lèi)大大增多，將出現(xiàn)許多新的核反應(yīng)體系，這些新的核反應(yīng)體系將會(huì)導(dǎo)致新的反應(yīng)類(lèi)型和反應(yīng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)觀察到反常截面增大、多反應(yīng)道耦合、集團(tuán)破裂和多步轉(zhuǎn)移等新的核反應(yīng)機(jī)制和效應(yīng)。

④應(yīng)用：現(xiàn)今核能的開(kāi)發(fā)利用都是基于過(guò)去關(guān)于穩(wěn)定核的結(jié)構(gòu)、衰變和反應(yīng)的知識(shí)，如今對(duì)遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線奇特核的結(jié)構(gòu)、衰變和反應(yīng)的研究，將可能提供新的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的知識(shí)，使人們產(chǎn)生開(kāi)發(fā)利用核能的新構(gòu)思。放射性核束物理研究是對(duì)大批未知原子核的開(kāi)創(chuàng)性研究工作，將合成許多新的原子核并研究它們的各種性質(zhì)，這可能改變?nèi)藗儗?duì)原子核的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)完全新奇的核現(xiàn)象和新的物理規(guī)律。

原子的結(jié)構(gòu)組成示意圖鈾238的α衰變兩種核反應(yīng)示意圖

（2）核內(nèi)夸克的動(dòng)力學(xué)

夸克和膠子是如何構(gòu)成核子的?核子是體現(xiàn)強(qiáng)相互作用理論QCD的三種顏色合成無(wú)色及其非阿貝爾特性的最簡(jiǎn)單的體系，但目前我們?nèi)圆荒苡肣CD理論定量地描述核子的內(nèi)部夸克-膠子結(jié)構(gòu)，甚至連核子內(nèi)部的有效自由度到底是什么都還不清楚。

核子結(jié)構(gòu)的經(jīng)典圖像是由三個(gè)夸克組成，但越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)跡象表明核子內(nèi)部含有顯著的多夸克成分，膠子成分也對(duì)核子自旋極化等問(wèn)題有貢獻(xiàn)。各種理論模型預(yù)言的很多核子激發(fā)態(tài)也都沒(méi)有找到，尋找"失蹤”的重子激發(fā)態(tài)是當(dāng)前國(guó)際中高能核物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

此外，如何在夸克層次上描述核子間的相互作用，是否存在多夸克態(tài)、雙重子態(tài)，核內(nèi)核子的夸克膠子結(jié)構(gòu)與自由核子有何不同等，都對(duì)了解強(qiáng)相互作用至關(guān)重要。由于非微擾特征。如夸克膠子禁閉和手征對(duì)稱性自發(fā)破缺，使得QCD描述低能強(qiáng)相互作用的困難很大。目前，只能使用格點(diǎn)QCD和有效場(chǎng)論以及QCD大NC展開(kāi)等描述部分現(xiàn)象。如何直接從QCD理論研究強(qiáng)相互作用的性質(zhì)，是物理學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。

夸克模型中的強(qiáng)子，里面是夸克高能正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中的三噴注現(xiàn)象，顯示了膠子的存在,連接各小球的就是膠子

（3）相對(duì)論重離子碰撞與夸克膠子等離子體

QCD是強(qiáng)相互作用的基本理論。雖然微擾QCD取得了極大的成功，但低能禁閉和真空對(duì)稱破缺等非微擾現(xiàn)象一直是粒子物理與核物理中的難題。1974年，李政道提出，通過(guò)相對(duì)論重離子碰撞在一個(gè)較大的體積內(nèi)產(chǎn)生高能量密度使得物理真空的破缺對(duì)稱性得到恢復(fù)，夸克膠子解除禁閉，在一個(gè)比強(qiáng)子尺度大的時(shí)空范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)?？淇四z子運(yùn)動(dòng)空間的擴(kuò)展意味著發(fā)生了從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克物質(zhì)的退禁閉相變，產(chǎn)生的夸克物質(zhì)叫做夸克膠子等離子體 (QGP) 。

另一個(gè)重要的QCD相變是真空中自發(fā)破缺的手征對(duì)稱性在有限溫度密度時(shí)的恢復(fù)。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)，高溫夸克物質(zhì)可能是大爆炸后瞬間宇宙所處的狀態(tài)，探索和研究高溫夸克物質(zhì)能加深我們對(duì)早期宇宙的認(rèn)識(shí)。對(duì)于目前存在于宇宙中的致密星體，其內(nèi)部很可能處于高密度夸克物質(zhì)或強(qiáng)子物質(zhì)態(tài)。

在地球上，相對(duì)論重離子碰撞是在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生新物質(zhì)形態(tài)的唯一可能手段。已有明顯的證據(jù)顯示在實(shí)驗(yàn)中可能已經(jīng)產(chǎn)生了新的物質(zhì)形態(tài)。由于高溫高密的QGP只可能是重離子碰撞的中間狀態(tài)，低溫低密的末態(tài)仍然是輕子強(qiáng)子態(tài)，碰撞系統(tǒng)是否經(jīng)歷過(guò)QGP狀態(tài)要由末態(tài)分布來(lái)反推。具有QGP特征的末態(tài)分布稱為產(chǎn)生了QGP的信號(hào)。由于QCD相變本身處于強(qiáng)耦合區(qū)域，不能用微擾理論，目前研究相變的理論工具主要是格點(diǎn)QCD計(jì)算和具有QCD對(duì)稱性的有效模型。如何確定QCD相變的信號(hào)和研究強(qiáng)耦合夸克物質(zhì)的性質(zhì)是目前相對(duì)論重離子碰撞和夸克物質(zhì)研究的中心問(wèn)題。

在非常高的溫度和密度下，有自由的、不受束縛的夸克-膠子等離子體

（4）核天體物理

核天體物理是研究微觀世界的核物理與研究宏觀世界的天體物理相結(jié)合形成的交叉學(xué)科，它應(yīng)用核物理的知識(shí)和規(guī)律闡釋恒星中核過(guò)程產(chǎn)生的能量及其對(duì)恒星結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)程的影響。

核過(guò)程是恒星抗衡其自引力收縮的主要能源和宇宙中各種核素賴以合成的唯一機(jī)制，在大爆炸以后的宇宙和天體演化進(jìn)程中起極為重要的作用。恒星平穩(wěn)核燃燒階段中的核過(guò)程基本上是沿穩(wěn)定路徑發(fā)展的核反應(yīng)。在新星、超新星和X射線爆等爆發(fā)性天體事件的高溫環(huán)境中，發(fā)生的核反應(yīng)與核素表中的穩(wěn)定原子核全然不同。在擁有強(qiáng)放射性核束的今天，人們能夠在實(shí)驗(yàn)室里再現(xiàn)這些反應(yīng)的過(guò)程。

目前，對(duì)于離穩(wěn)定線不遠(yuǎn)的核素，已經(jīng)有相關(guān)數(shù)據(jù)；而對(duì)于遠(yuǎn)離穩(wěn)定線特別是在反應(yīng)路徑附近的核素，數(shù)據(jù)較少或根本沒(méi)有。反應(yīng)路徑本身與爆發(fā)性天體事件的物理環(huán)境（溫度、密度，化學(xué)組成等）相關(guān)，當(dāng)溫度和密度很高時(shí)可能接近質(zhì)子和中子滴線。爆發(fā)性天體事件中的核過(guò)程是當(dāng)前核天體物理的前沿領(lǐng)域，相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量是極具挑戰(zhàn)性的研究工作。

宇宙大爆炸示意圖

02 核技術(shù)

核影像技術(shù)是最早應(yīng)用的核技術(shù)，自從倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以后不久，便開(kāi)始了核影像技術(shù)的應(yīng)用。在人類(lèi)健康以及醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用是核影像技術(shù)成功應(yīng)用的范例。

近20年來(lái)，以核影像技術(shù)為支撐的核醫(yī)學(xué)與分子影像學(xué)的發(fā)展尤為迅速，成為醫(yī)學(xué)臨床診斷不可缺少的手段。核醫(yī)學(xué)功能影像可以比結(jié)構(gòu)成像更早地發(fā)現(xiàn)病變，能夠真實(shí)地反映出疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，在腦血管、心血管疾病和腫瘤診斷等方面成為疾病判定、治療效果評(píng)價(jià)的有效和重要的指標(biāo)。世界各國(guó)的主要核科學(xué)研究機(jī)構(gòu)紛紛利用核科學(xué)的基礎(chǔ)開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究，如歐洲核子研究中心 （CERN） 美國(guó)DOE的諸多國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本理化學(xué)研究所（RIKEN）、日本國(guó)家放射科學(xué)研究所 （NIRS） 等，都在加強(qiáng)成像技術(shù)研究及在神經(jīng)、認(rèn)知、腫瘤等方面的應(yīng)用研究。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）2001年就成立了美國(guó)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究院 （NBIB），其使命就是集中和協(xié)調(diào)將工程學(xué)和成像科學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。

正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像，目前進(jìn)行人體功能顯像的最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)

放射治療是核技術(shù)在人類(lèi)健康方面的另一重要應(yīng)用。惡性腫瘤是常見(jiàn)病多發(fā)病，也是對(duì)人類(lèi)健康危害極大的疾病，一直困擾著世界各國(guó)的醫(yī)學(xué)界，居各種死亡原因的第二位。目前，手術(shù)、放射治療和化學(xué)治療是腫瘤治療的三大手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)不同方法治療的癌癥患者五年存活率已達(dá)45%以上，其中有四成是經(jīng)過(guò)放射治療的患者。

近年來(lái)，各種先進(jìn)技術(shù)在基于加速器的放射治療領(lǐng)域的應(yīng)用 (調(diào)強(qiáng)治療、圖像引導(dǎo)治療、質(zhì)子治療、重離子治療等) 使得癌癥放射治療的治愈率和有效控制率明顯提高，放射治療使某些早期局部性腫瘤獲得根治，同時(shí)，放射治療對(duì)癌癥所在部位器官及其功能的保留有重要意義。特別是近幾年，電子直線加速器在X波段及C波段的發(fā)展使其進(jìn)一步小型化，產(chǎn)生了一些新的放療設(shè)備，并逐步產(chǎn)業(yè)化。鑒于質(zhì)子及重離子在放射治療中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，各國(guó)相繼開(kāi)展了專(zhuān)門(mén)用于放射治療的質(zhì)子和重離子回旋及同步加速器的研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)放射治療仍會(huì)在腫瘤治療手段中占有重要地位。

醫(yī)療用放射治療儀

核能利用是核技術(shù)應(yīng)用的最重要方面之一，幾乎涉及了核技術(shù)所有的技術(shù)方法，是核技術(shù)綜合應(yīng)用的最好實(shí)例。一個(gè)國(guó)家核能利用水平的高低，往往也是其核技術(shù)及應(yīng)用水平高低的綜合體現(xiàn)。安全、潔凈、高效的核能利用是世界各大國(guó)競(jìng)相投入巨資進(jìn)行研究發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

大亞灣核電站

核技術(shù)在國(guó)家安全方面具有重要的用途。有毒有害物質(zhì)以及爆炸物是危害國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要根源之一，其檢測(cè)和診斷技術(shù)的發(fā)展在全世界各個(gè)國(guó)家受到廣泛的重視，目前發(fā)展的技術(shù)手段基本上都是基于核技術(shù)，包括離子遷移率譜儀 （MS）中子散射、相干X射線、核四極共振等，其中MS技術(shù)因具備快速、高效、靈敏和小型等優(yōu)點(diǎn)得到了最廣泛的開(kāi)展和應(yīng)用。此外，基于加速器X射線源的集裝箱檢測(cè)技術(shù)，用于海關(guān)口岸檢測(cè)走私、違禁物品，發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

離子感煙火警報(bào)警器

核技術(shù)在考古學(xué)和文物研究方面發(fā)揮了重要作用。核技術(shù)的應(yīng)用從根本上改變了考古學(xué)的面貌，使之逐漸成為定量表達(dá)的科學(xué)。核技術(shù)一經(jīng)應(yīng)用于考古學(xué)，便不斷地揭示出古代遺存的豐富潛信息，使考古研究提高到一個(gè)新的層次，從根本上改變了它的研究面貌，因而，從某種意義上講，核技術(shù)對(duì)考古學(xué)的發(fā)展有著特殊重要的意義。核分析技術(shù)因?yàn)榫哂袩o(wú)損分析的能力，在珍貴文物的研究中發(fā)揮了不可替代的作用。

114C衰變過(guò)程，以現(xiàn)代碳十四的放射水平作為標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)量標(biāo)本中的碳十四相比較，由此推算出含碳物質(zhì)碳十四死亡或停止交換的年代

輻照技術(shù)是核技術(shù)應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域之一，在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)及工業(yè)生立中得到了廣泛應(yīng)用。輻射技術(shù)主要利用輻射效應(yīng)來(lái)解決特殊的技術(shù)問(wèn)題。20世紀(jì)50年代，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)聚乙烯電纜在核反應(yīng)堆中受到輻照后發(fā)生交聯(lián)的現(xiàn)象，高分子材料的輻射效應(yīng)及輻射加工得到迅速發(fā)展。1962年美國(guó)科學(xué)家利用脈沖電子加速器并采用時(shí)間分辨技術(shù)觀察到了輻射產(chǎn)生的水合電子，迅速推動(dòng)了輻射化學(xué)和輻射技術(shù)的發(fā)展。

利用高能射線對(duì)物質(zhì)進(jìn)行照射引發(fā)的電離及各種后效應(yīng)，輻射技術(shù)已經(jīng)在聚合物材料、高性能纖維、食品滅菌與保鮮、醫(yī)療用品消毒、植物與微生物育種、環(huán)境治理、納米材料甚至文物保護(hù)、能源等須域發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，輻照技術(shù)方法已相對(duì)比較成熟，目前主要著重于推廣應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題以及輻射生物學(xué)效應(yīng)研究等，在國(guó)際上仍然呈現(xiàn)較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。此外，輻射化學(xué)與其他學(xué)科交叉亦有較廣闊的前途。

輻照后的聚乙烯電纜

同步輻射技術(shù)作為一種基于加速器的核技術(shù)的擴(kuò)展，近20年來(lái)在國(guó)際上得到了極為迅速的發(fā)展。同步輻射光源是由高能量電子或正電子作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)射出電磁輻射的裝置。同步輻射光源具有常規(guī)光源所不具備的寬連續(xù)譜、高亮度、高準(zhǔn)直性、高偏振性、脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)和高純凈等特性。它的應(yīng)用為諸多學(xué)科的基礎(chǔ)研究、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段和綜合研究平臺(tái)，極大地促進(jìn)了多個(gè)學(xué)科 (如結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子環(huán)境科學(xué)等) 的快速發(fā)展。它的建造和運(yùn)行對(duì)加速器技術(shù)和其他高技術(shù)有重要推動(dòng)作用。

目前國(guó)際上在這一領(lǐng)域的研究工作有兩方面的特色。一方面是同步輻射先進(jìn)技術(shù)和新方法的研究。高空間分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法：典型空間分辨尺度由微米向納米推進(jìn)快時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)，典型時(shí)間分辨尺度由微秒(us)至納秒(ns)向納秒至皮秒(ps)推進(jìn)。高能量分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)，典型能量分辨率由eV向meV推進(jìn)。高動(dòng)量分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)、高靈敏度實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及利用同步光極化特性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法等，與之相關(guān)聯(lián)的分析理論方法的發(fā)展日益受到重視。

這些先進(jìn)技術(shù)方法的發(fā)展大大擴(kuò)展了同步輻射應(yīng)用的范圍與深度，加深了對(duì)物質(zhì)各層次結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，豐富和發(fā)展了非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的知識(shí)與理論，使其在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、地學(xué)、醫(yī)學(xué)微電子學(xué)和微機(jī)械加工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

另一方面是同步輻射在上述各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是在生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等具有重要實(shí)用前景的學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用，可望對(duì)人類(lèi)健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。目前國(guó)際上已運(yùn)行的第三代同步輻射光源，平均每臺(tái)每年可供來(lái)自各學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)千用戶開(kāi)展各類(lèi)課題研究，是天然的學(xué)科交叉研究平臺(tái)，受到了世界各國(guó)科技界的關(guān)注。到目前為止，全世界已運(yùn)行和在建的同步輻射裝置超過(guò)60臺(tái)，為數(shù)以萬(wàn)計(jì)的研究課題提供實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。

上海同步輻射光源

基于粒子加速器技術(shù)發(fā)展的高強(qiáng)度中子源技術(shù) (散裂中子源) 把中子技術(shù)及應(yīng)用推向了一個(gè)新的高度，大大擴(kuò)展了常規(guī)中子散射技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度成為諸多學(xué)科研究和技術(shù)發(fā)展的一種重要手段。另外，國(guó)際上許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)也在相繼開(kāi)展基于加速器的小型中子源的研究。例如，美國(guó)印第安納大學(xué)基于質(zhì)子加速器的低能中子源 (low energy neutron source, LENS)、日本北海道大學(xué)基于電子直線加速器的中子源等，在中子和質(zhì)子科學(xué)方面，開(kāi)展創(chuàng)新性的研究工作及中子質(zhì)子應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

英國(guó)散裂中子源模型圖

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“吉林大學(xué)物理學(xué)院”，原文摘自《未來(lái)10年中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·物理學(xué)》“核物理與核技術(shù)”一節(jié)。

原標(biāo)題：《探索微觀世界的核物理，正在現(xiàn)實(shí)生活中綻放》

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