ymzhao的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ymzhao

博文

《美哉!原子核》系列科普短文:民生大用之原子核

已有 1596 次阅读 2021-6-4 13:43 |系统分类:科普集锦

 

 

在讨论原子核科学技术时,许多民众首先想到的是核武器(很厉害)、核辐射(很恐怖),这可能是因为某些影视作品和文章负面宣传实在过于深入人心了。这种负面印象在中国如此,海外也差不多。因此,关于原子核科学相对全面客观的介绍说明对于提升社会的知识结构是很有必要的、也是很重要的。

 

本文是《美哉!原子核》系列科普短文的第10篇文章,主要讨论原子核科学与民生应用。一个学科的生命力在于实践,特别是社会上相对大规模的实践和应用对于一个学科发展一定会产生源源不断的动力。原子核科学的民生应用在社会舆论方面被极大地低估,甚至没有什么名气;原子核科学对于社会的舆论影响甚至远赶不上那些影视明星的生活八卦,因此,舆论导向对于社会的价值取向其实比较关键。本文希望表达的是:原子核科学于民生有大用,而且是科学领域在改善民生方面的佼佼者!

 

https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1594186654400&di=331f67c2901f919cf91c40f516739db9&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fobs-f582.obs.cn-north-1.myhwclouds.com%2Fattachment%2Fforum%2F201711%2F13%2F172150whb5zznximg44ng2.jpg

原子核科学不是交际花,而是穆桂英,上得厅堂、下得厨房

 

   现在其实已经有许多文字和宣传材料解释人们原子核科学在民生方面的应用,所以这里先说说大家都知道的核能应用。我们知道,充足的能源是人类现代社会可持续发展的必要条件。因为个别国家利用石油货币周期性地从全世界其它国家身上薅羊毛,而且化石能源(煤炭、石油、天然气)资源不可再生、环境保护压力[碳排放和环境污染],利用核能就既必要又十分重要。因为核能技术的发展,核能越来越成为能源的重要选择。例如美国核能比例约为总电力 20%,法国核电比例则高达 75%。经过快速发展,我国核电比例从2012年的不足2% 提高到2018年底的 4.22%,这个比例仍然不高,所以还有很大提升空间。核电的GDP 非常大,这点是不言而喻的。如今核电已经发展到第三代、第四代,就象网络的 4 G 和 5 G一样。三代和四代核电的安全性、经济性远高于比几十年前建造的核电, 而且核废物量少,其中第四代核电系统还可以有效防止核扩散,因此代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿。国际社会提出在2030年以前开发六种第四代核电站的新堆型,这是多么美好的前景。 2006 年欧盟和世界主要大国[中、美、俄、印、日、韩]共同签署了历时35 年的国际热核聚变实验堆(ITER)计划, 建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆, 即核聚变能源发电的实用化. 利用核聚变能源发电的诱人之处在于聚变能的资源无限, 而且没有放射性核废料. 这是未来能源的主导形式, 也是最终解决人类社会能源和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径. ITER 计划是实现聚变能商业化的第一步。

 

  下图是取自于美国Contemporary Physics Education Project (CPEP) 对于核科学介绍的一个插图,说明原子核科学在各个方面的广泛应用。当然,一篇短文仔细解读原子核科学在这么多门类的社会实践中的广泛应用既不现实,也没有必要。我们还是挑几个简单内容讨论一下。 

 

原子核科学的应用范畴,取自Nuclear Science,

Contemporary Physics Education Project (CPEP).

 

我先说一个非物理专业同胞们可能不知道的应用,核技术广泛应用于考古。这里我稍微细致地说一下。这是什么道理呢?原来在大气层顶部发生一直发生一种核反应:来自外太空的中子轰击到大气中的氮-14原子核,一个中子把一个质子敲出去,这个中子留在原子核内,从而把氮-14 转变成 碳-14。这些碳-14 转化为二氧化碳后被植物吸收,然后再被动物吃掉,从而参与生物圈的循环。因为这个过程在过去很长时间内产额都很稳定,又因为碳-14 会衰变,经过上亿年后,碳-14与通常的碳-12在地球上的比例就确定下来成为一个常量。在地球环境中,每10^12 个碳原子中有一个是碳-14,这一点对于所有参与生物循环的生命都是一样的,不管是一棵小青菜、一棵大树,还是美国有权有势的前总统特朗普或者阿富汗边远村落一条吃不饱食物的狗狗,体内碳-14与碳-12的这个比例都是相同的。可是一旦生物体死亡了,生物体内的碳就不能参与外面的碳交换了[即碳-14 就无法补充了]; 由于碳-14 衰变,死亡生物体内的碳-14含量就比外面的要少,时间越长碳-14 含量越少。碳-14 的衰变周期为 5730 年,因此很适合几乎“无损伤地”鉴定时代久远(几千年)的文物。

 

这里我说两个相关的例子。一个是关于都灵裹尸布 (shroud of Turin) 的鉴定。人们认为这个裹尸布曾裹在耶稣身上;它首次展出是1350 年在法国,经过多年辗转1578年到了都灵,据称在这块裹尸布上面印有耶稣身体的轮廓(好神奇呀)。那么到底这个裹尸布是否真的呢?当然年份上要正确,否则就不要谈下去了。这个过程做得十分严谨,为了完全确认这份裹尸布的年代,还成立了一个链条很长的委员会,从裹尸布上取了约150 mg 的样本,分发给五家国际实验室,与此同时还给这些实验室其它3份不同但是已知年份的样本,并分别随机编号;每个实验室不会事先告知那些样本盒子内哪一个来自裹尸布的样本,实验室只是把结果转给大英博物馆;其中有两个实验室是把样本烧成气体测量,因此整个保密性做得特别好;最后把所有样本测量年份并比较。这个“著名”工作发表在 Nature 227, page 611 (1989)。结论是那个裹尸布有 1940 年到 1995年的历史,误差为20到50年。这当然是比较轰动的结果!另一个例子是我国的越王勾践剑的鉴定,也是同样的思路,这是我国核物理学家杨福家教授的成果,实验结果证明了该剑的年份。

 

说这些可能大家觉得离自己生活比较远,下面我们聊聊在生活中常见的一个小东西。在每个旅馆里有一个标配,就是在天花板顶上有一个很小的圆形盒子。在晚上关灯睡觉时,偶尔可以见到那个核子一闪一闪的,那是什么呢?这不是监控器,而是烟雾报警器。这个东西的工作原理很简单:那里面有放射性的重核素 Am-241,这个核素会 alpha 衰变,产生的alpha 粒子会把空气电离,从而可以形成极其微弱的电流回路;假如空间中的烟雾达到某个临界值,因为烟雾是一团又脏又重的大颗粒,这些烟雾颗粒就挡住alpha 粒子,空气就不能再被电离,微弱的电流回路就大幅减少或者没有了。系统设置就是当这种电流减弱(本来也弱)发生时就立即自动报警。请大家先不要骂生产的商家黑心地用这个放射线玩意儿以次充好,其实这个报警装置非常安全,alpha 粒子在空气重是根本跑不远的,辐射剂量可以忽略不计;辐射剂量都是事先算好的,非常安全。

 

从原子核科学衍生的技术非常之多,在材料科学、军事科技(不仅仅是核武器)、环境科学、航空航天等领域都有极其广泛的应用。为了不使读者疲劳,下面简单提及核科学在医学和生物方面的应用。


我有一个数据,同样来自于Contemporary Physics Education Project (CPEP) 对于核科学介绍: 2003年,美国 每年住院人口 3000 万;1/3 是用“核药”治疗的;美国每年约1亿次核医药试验,世界其它地方加起来差不多大致这个规模。这个数据是否很令人惊讶呢?

 

这几年在报纸上偶尔看到的重离子治疗肿瘤。过去的肿瘤是主要靠核辐射的 gamma 射线[也是核科学技术],现在可以用重离子轰击肿瘤细胞,人们可以根据肿瘤细胞所在生物体内的深度计算出医用的重离子能量,从而准确杀死肿瘤细胞,而不是像传统利用Co-60 的gamma 射线 [八十年代风靡国内的日本电视连续剧《血疑》中女主人公大岛幸子正是遭受了Co-60的辐射而引起健康上的悲剧] 那样杀敌一千、自损八百那样无差别地杀死健康的细胞。这个技术设备现在国内已经被兰州所的朋友们国产化,社会效益当然非常好。

 

我们知道,辐照诱发生物突变, 人们把核技术用于育种, 从各种变异品种中筛选遗传性稳定的优良品种,而重离子束是一种新兴的辐射诱变源, 遗传线密度高, 单位剂量的诱变效率比X 射线、γ 射线和电子束等高一个量级。重离子束穿过生物介质时把能量沉积在径迹上, 引发 DNA分子的损伤,具有很高的生物学效应。重离子束辐照诱变育种发展迅速, 国内外获得了很多优良特性的植物突变体。我国的重离子辐照诱变育种主要处理水稻、小麦、高粱、玉米、药材、花卉和水果等, 创造了重大的经济和社会效益。

 

这里我只说一个花卉方面。我们知道,花卉其实也是现实生活中比较重要的。我在二十多年前去RIKEN 做博士后, 看见实验室的橱窗照片里有几个培育的新花卉,忘记了他们怎么介绍的,总之就是好啊。后来我在国内几个实验室里也强调他们培养的新花卉“效益”如何如何,而培育特性优良的粮食作物对于人们提高生产效率、改善生活条件的意义不消多说,就更重要了。

 

总而言之,确实如此。核科学绝对不是花瓶式的、少数学者的游戏,原子核科学有大用于民生。科学技术是第一生产力,用在原子核科学上是很恰当的。

 

如果有人对于原子核科学的应用产生兴趣,那么不妨在网上多搜罗一些原子核科学方面的介绍;而如果青年学生对此有兴趣,不妨多花一点时间阅读一些原子核科学的书籍,在认识原子核之美 --- 复杂多变之美、条理简单之美、规则对称之美、精微玄妙之美、苍茫壮丽之美、和而不同之美、民生大用之美—- 基础上,学习原子核基础理论和实验技术,投身于人类社会科学技术进步的洪流中,并为强我中华而努力!




http://wap.sciencenet.cn/blog-3404169-1289686.html

上一篇:《美哉!原子核》系列科普短文:“美美与共”之原子核
下一篇:原子核内自由而安分的质子和中子

1 王涛

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-9-21 16:44

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部