作者 | 趙玉民 教授 (上海交通大學物理與天文學院)
在討論原子核科學技術時，許多民眾首先想到的是核武器(很厲害)、核輻射(很恐怖)，這可能是因為某些影視作品和文章負面宣傳實在過於深入人心了。這種負面印象在中國如此，海外也差不多。因此，關於原子核科學相對全面客觀的介紹說明，對於提升公眾的知識結構是很有必要、也是很重要的。
本文主要討論原子核科學與民生應用。一個學科的生命力在於實踐，特別是社會上相對大規模的實踐和應用對於一個學科發展一定會產生源源不斷的動力。原子核科學的民生應用在社會輿論方面被極大地低估，甚至沒有什麼名氣；原子核科學對於社會的輿論影響甚至遠趕不上那些影視明星的生活八卦。本文希望表達的是：原子核科學於民生有大用，而且是科學領域在改善民生方面的佼佼者！
圖 原子核科學不是交際花，而是穆桂英，上得廳堂、下得廚房 圖源 | 百度百科
現在其實已經有許多文字和宣傳材料解釋原子核科學在民生方面的應用，這裡先說說大家都知道的核能應用。我們知道，充足的能源是人類現代社會可持續發展的必要條件。因為個別國家利用石油貨幣週期性地從全世界其它國家身上薅羊毛，而且化石能源(煤炭、石油、天然氣)資源不可再生、環境保護壓力（碳排放和環境汙染）,利用核能就既必要又十分重要。
因為核能技術的發展，核能越來越成為能源的重要選擇。例如，美國核能比例約為總電力的20%，法國核電比例則高達75%。經過快速發展，我國核電比例從2012年的不足2% 提高到2018年底的4.22%，這個比例仍然不高，所以還有很大提升空間。
核電的GDP非常大，這點是不言而喻的。如今，核電已經發展到第三代、第四代，就象網路的4G和5G一樣。三代和四代核電的安全性、經濟性遠高於幾十年前建造的核電, 而且核廢物量少，其中第四代核電系統還可以有效防止核擴散，因此代表了先進核能系統的發展趨勢和技術前沿。國際社會提出在2030年前開發六種第四代核電站的新堆型，這是多麼美好的前景。
2006年，歐盟和世界主要大國（中、美、俄、印、日、韓）共同簽署了歷時35年的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃, 建造可實現大規模聚變反應的聚變實驗堆, 即核聚變能源發電的實用化。利用核聚變能源發電的誘人之處在於聚變能的資源無限，而且沒有放射性核廢料，這是未來能源的主導形式, 也是最終解決人類社會能源和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑。ITER 計劃是實現聚變能商業化的第一步。
下圖是取自於美國Contemporary Physics Education Project (CPEP)對於核科學介紹的一個插圖，說明原子核科學在各個方面的廣泛應用。我們挑幾個簡單內容討論一下。
圖 原子核科學的應用範疇。圖源 | Nuclear Science, Contemporary Physics Education Project (CPEP)
我先說一個非物理專業同胞們可能不知道的應用——核技術廣泛應用於考古。這是什麼道理呢？原來， 在大氣層頂部一直髮生一種核反應：來自外太空的中子轟擊到大氣中的氮-14原子核，一箇中子把一個質子敲出去，這個中子留在原子核內，從而把氮-14轉變成碳-14。這些碳-14轉化為二氧化碳後被植物吸收，然後再被動物吃掉，從而參與生物圈的迴圈。因為這個過程在過去很長時間內產額都很穩定，又因為碳-14會衰變，經過上億年後，碳-14與通常的碳-12在地球上的比例就確定下來成為一個常量。
在地球環境中，每10^12 個碳原子中有一個是碳-14，這一點對於所有參與生物迴圈的生命都是一樣的，不管是一棵小青菜、一棵大樹，還是美國有權有勢的前總統特朗普或者阿富汗邊遠村落一條吃不飽食物的狗狗，體內碳-14與碳-12的比例都是相同的。可是一旦生物體死亡了，生物體內的碳就不能參與外面的碳交換了（即碳-14 就無法補充了）; 由於碳-14衰變，死亡生物體內的碳-14含量就比外面的要少，時間越長碳-14含量越少。碳-14的衰變週期為5730年，因此很適合幾乎“無損傷地”鑑定時代久遠的文物。
這裡我說兩個相關的例子。一個是關於都靈裹屍布 (shroud of Turin) 的鑑定。人們認為這塊裹屍布曾裹在耶穌身上，那麼這塊裹屍布究竟是真的嗎？當然年份上要正確，否則就不要談下去了。這個過程做得十分嚴謹，為了完全確認這塊裹屍布的年代，還成立了一個鏈條很長的委員會，從裹屍布上取了約150mg的樣本，分發給五家國際實驗室，最後比較所有樣本的測量年份。這個著名工作發表在 Nature 227, page 611 (1989)。另一個例子是我國的越王勾踐劍的鑑定，也是同樣的思路，這是我國核物理學家楊福家教授的成果，實驗結果證明了該劍的年份。
說這些可能大家覺得離自己生活比較遠，下面我們聊聊在生活中常見的一個小東西。在每個旅館裡有一個標配，在天花板頂上有一個很小的圓形盒子——煙霧報警器。
它的工作原理很簡單：裡面有放射性的重核素Am-241，它會發生alpha衰變，產生的alpha粒子會把空氣電離，從而可以形成極其微弱的電流回路；假如空間中的煙霧達到某個臨界值，因為煙霧是一團又髒又重的大顆粒，這些煙霧顆粒就擋住alpha 粒子，空氣就不能再被電離，微弱的電流回路就大幅減少或者沒有了。系統設定當這種電流減弱發生時就立即自動報警。
圖 核技術被應用於煙霧報警器。圖源| pixabay
請大家先不要罵生產的商家黑心地用這個放射線玩意兒以次充好，其實這個報警裝置非常安全，alpha粒子在空氣中是根本跑不遠的，輻射劑量可以忽略不計；輻射劑量都是事先算好的，非常安全。
從原子核科學衍生的技術非常之多，在材料科學、軍事科技(不僅僅是核武器)、環境科學、航空航天等領域都有極其廣泛的應用。下面再簡單提及核科學在醫學和生物方面的應用。
我有一個數據，同樣來自於Contemporary Physics Education Project (CPEP) 對於核科學的介紹: 2003年，美國每年住院人口3000萬，1/3 是用“核藥”治療的；美國每年約1億次核醫藥試驗，世界其它地方加起來差不多大致這個規模。這個資料是否很令人驚訝呢？
過去，腫瘤治療主要靠核輻射的gamma射線(也是核科學技術)，現在可以用重離子轟擊腫瘤細胞。人們可以根據腫瘤細胞所在生物體內的深度，計算出醫用的重離子能量，從而準確殺死腫瘤細胞，而不是像傳統利用Co-60的gamma 射線(八十年代風靡國內的日本電視劇《血疑》中,女主人公大島幸子正是遭受了Co-60的輻射而引起健康上的悲劇) 那樣殺敵一千、自損八百,無差別地殺死健康的細胞。這個技術裝置現在已經被中科院近代物理所的朋友們國產化，社會效益當然非常好。
我們知道，輻照誘發生物突變。人們把核技術用於育種, 從各種變異品種中篩選遺傳性穩定的優良品種。而重離子束是一種新興的輻射誘變源,單位劑量的誘變效率比X 射線、γ射線和電子束等高一個量級。重離子束穿過生物介質時把能量沉積在徑跡上, 引發DNA分子的損傷，具有很高的生物學效應。
圖 我國的重離子輻照誘變育種主要處理水稻、小麥、高粱、玉米、藥材、花卉和水果等。圖源 | 中科院近代物理所
重離子束輻照誘變育種發展迅速，國內外獲得了很多優良特性的植物突變體。我國的重離子輻照誘變育種主要處理水稻、小麥、高粱、玉米、藥材、花卉和水果等, 創造了巨大的經濟和社會效益。
總而言之，核科學絕對不是花瓶式的、少數學者的遊戲，原子核科學有大用於民生。科學技術是第一生產力，用在原子核科學上是很恰當的。
如果有人對於原子核科學的應用產生興趣，那麼不妨在網上多蒐羅一些原子核科學方面的介紹；而如果青年學生對此有興趣，不妨多花一點時間閱讀一些原子核科學的書籍，在認識原子核之美——複雜多變之美、條理簡單之美、規則對稱之美、精微玄妙之美、蒼茫壯麗之美、和而不同之美、民生大用之美——的基礎上，學習原子核基礎理論和實驗技術，投身於人類社會科學技術進步的洪流中，併為強我中華而努力！
本文經原作者授權轉載自科學網部落格，原標題為“民生大用之原子核”。
原文連結：https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1289686.html
