文|Pierre Henriquet

編輯|Caroline Liang

一覽：

• 對(duì)于宇宙最基本的組成物質(zhì)的探索真正始于 19世紀(jì)。那時(shí)，康普頓發(fā)現(xiàn)了X射線的粒子性；德布羅意發(fā)現(xiàn)了實(shí)物粒子的波動(dòng)性。
• 離子注入是粒子物理的基本技術(shù)之一，即將“雜質(zhì)”注射進(jìn)硅晶體，改變其導(dǎo)電性質(zhì)。
• 粒子物理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用包括食品加工，通過(guò)輻照延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。
• 在法國(guó) 2014 年全國(guó)種植的葵花中，有 37 萬(wàn)公頃（56%）用的是伽馬射線輻射誘變培育出的種子。
• 粒子物理技術(shù)還可用于醫(yī)療領(lǐng)域。用粒子放射源對(duì)血袋進(jìn)行處理，可消除血液中導(dǎo)致致命疾病的細(xì)胞，讓輸血更加安全。

對(duì)于宇宙最基本的組成物質(zhì)及其性質(zhì)的探索，是在 20世紀(jì)初才真正開(kāi)始。公元前 300 年前，德謨克利特通過(guò)推測(cè)得出了原子論，但直到 20 世紀(jì)初，人們才發(fā)現(xiàn)原子并不是最小的、不可分割的物質(zhì)粒子，而是由更小的粒子組成。

當(dāng)前普遍認(rèn)為粒子是物質(zhì)最基礎(chǔ)的組成成分。但對(duì)于粒子物理的研究就像許多其他自然科學(xué)領(lǐng)域的研究一樣：最初只是為了加深人類對(duì)世界的本質(zhì)和組成的了解，但漸漸地衍生出了實(shí)際應(yīng)用，讓我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。那么，粒子物理和我們的日常生活有哪些關(guān)聯(lián)呢？

粒子物理最基本的操作就是用一束粒子轟擊目標(biāo)物質(zhì)，研究轟擊產(chǎn)生的效果并加以應(yīng)用。不同類型的粒子和目標(biāo)物質(zhì)產(chǎn)生的效果千差萬(wàn)別，應(yīng)用方式也多種多樣。

01.電子產(chǎn)品中的粒子物理學(xué)

提到粒子物理學(xué)，就不能不提電子產(chǎn)品。

所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品都離不開(kāi)硅。硅是半導(dǎo)體物質(zhì)，既載流子（外層自由電子和空穴）為四的元素。為增加載流子濃度，可對(duì)硅晶體進(jìn)行摻雜，摻入其他元素的原子，改變硅的局部導(dǎo)電性。

摻雜工藝需要極高的精度。有些部位須要摻入能增加自由電子濃度的雜質(zhì)原子，而另外的部位則須要摻入能增加空穴濃度的雜質(zhì)原子，不同部位之間可能距離只有幾微米。

摻雜可以通過(guò)離子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)：把雜質(zhì)離子用強(qiáng)電場(chǎng)加速，讓其獲得很高的動(dòng)能，轟炸基質(zhì)，“擠”進(jìn)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)里?？刂撇煌牧Ｗ拥募铀偎俣?，可使其“擠”進(jìn)預(yù)設(shè)的深度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)摻雜。

離子注入硅晶體示意圖；（圖片來(lái)源：名古屋工業(yè)大學(xué) Masashi Kato ）[1]

02.輻照處理材料

輻照既可能是有意對(duì)材料進(jìn)行處理，也可能是材料意外暴露，但必然會(huì)改變材料的微結(jié)構(gòu)，因此常常用于研究和實(shí)踐，以更好地了解材料的性質(zhì)和其隨時(shí)間流逝而發(fā)生的變化。

離子注入技術(shù)應(yīng)用廣泛，不僅限于電子設(shè)備生產(chǎn)。除了半導(dǎo)體摻雜，也可以用于材料表面處理。該技術(shù)可以改變目標(biāo)材料的化學(xué)組成成分和表面結(jié)構(gòu)。離子注入可優(yōu)化材料表面的某些機(jī)械或化學(xué)特質(zhì)（如硬度、耐磨度、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕度），同時(shí)不改變材料主體的基本性質(zhì)。具體效果取決于基質(zhì)的性質(zhì)和注入的離子的性質(zhì)。

輻照導(dǎo)致的材料老化現(xiàn)象，在核技術(shù)領(lǐng)域研究較多。鋼鐵是當(dāng)代核能發(fā)電廠最重要的建設(shè)材料，暴露在放射性燃料棒（能量的釋放來(lái)源）的強(qiáng)輻射之下。鋼制的反應(yīng)堆容器，是核電站里無(wú)法替換的設(shè)備。因此，了解并預(yù)測(cè)它在使用的幾十年間的結(jié)構(gòu)老化非常重要。

材料老化研究對(duì)于新一代核反應(yīng)堆也具有意義，因?yàn)槲磥?lái)反應(yīng)堆的溫度將更高、輻射強(qiáng)度將更強(qiáng)。而且未來(lái)的熱核聚變反應(yīng)堆（如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃所建設(shè)的反應(yīng)堆）的構(gòu)件將直接接觸等離子體，暴露在強(qiáng)烈的中子輻射中。

壓水反應(yīng)堆容器鋼材硬度，藍(lán)色代表輻照前，綠色代表輻照后 [2] CEA

03.日常生活中的粒子物理學(xué)

在食品行業(yè)則會(huì)使用輻照延長(zhǎng)食物的保質(zhì)期。輻照能扼制土豆和種子類食物的發(fā)芽，還能殺死寄生蟲(chóng)、霉菌和其他導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的微生物。

食品輻照一般使用三類射線：X光、伽馬射線、加速電子束。其中，X光和伽馬射線都屬于電磁波輻射，與可見(jiàn)光類似，但能級(jí)比可見(jiàn)光高。

輻照并不等于給食物徹底消毒。輻照后的食物仍須要妥善包裝、烹煮才能安全食用。但是輻照能減慢變質(zhì)的速度、延長(zhǎng)保質(zhì)期，還能防止昆蟲(chóng)和其他有害生物破壞蔬果或在蔬果上產(chǎn)卵。

伽馬射線在農(nóng)業(yè)中也得到了應(yīng)用，可用于“輻射誘變育種”，其原理是利用輻射誘發(fā)、加速生物體內(nèi)自然發(fā)生的基因突變。這一技術(shù)自上世紀(jì)五十年代便開(kāi)始使用，可篩選出因變異而獲得優(yōu)良性狀（口味佳、色澤好、生長(zhǎng)快、果體大等）的新品種。

比如，在法國(guó) 2014 年全國(guó)種植的葵花中，有 37 萬(wàn)公頃（56%）用的是輻射誘變培育的種子。在美國(guó)德克薩斯州種植的葡萄柚 75% 屬于“Rio Star”品種，比普通品種更紅、更甜，也是輻射誘變培育出來(lái)的。

日本茨城縣伽馬射線育種園，開(kāi)展輻射誘變育種工作（圖片來(lái)源：谷歌地圖）

04.醫(yī)療中的粒子物理學(xué)

電子加速器輻照裝置的種種功能在醫(yī)療界也有著廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)用途就是消毒醫(yī)療設(shè)備。具有放射性的銫-137 可釋放伽馬射線，將其作為放射源對(duì)血袋進(jìn)行處理，消除血液中一些會(huì)導(dǎo)致致命疾病的細(xì)胞，能讓輸血更加安全。用于清潔、保存隱形眼鏡鏡片的護(hù)理鹽溶液也是用輻照消毒的。

在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們使用核反應(yīng)堆和粒子加速器生產(chǎn)地球自然界中不存在的放射性物質(zhì)（這些人造放射性物質(zhì)的半衰期很短，只有幾天甚至幾小時(shí)）。這些物質(zhì)非常重要，可用于診斷成像（如PET成像使用放射性元素氟-18；閃爍掃描術(shù)使用锝-99）和放射治療（如用于治療甲狀腺癌的碘-131）。

PET（正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)）成像圖。PET通過(guò)使用放射性元素氟-18標(biāo)記葡萄糖（左圖）或標(biāo)記多巴胺（右圖），實(shí)現(xiàn)顯像。[3]

當(dāng)前科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種新的輻照療法治療惡性腫瘤：重離子輻照法。使用粒子加速器，對(duì)患者體內(nèi)難以用普通手段殺滅的腫瘤（如腦腫瘤）進(jìn)行定點(diǎn)轟擊。這一放療技術(shù)具有多重優(yōu)勢(shì)，如靶向性極高、對(duì)患者身體損傷較小。當(dāng)前德國(guó)和法國(guó)都建設(shè)了重離子輻照法中心，希望在若干年后的未來(lái)，法國(guó)也能建設(shè)此類中心，發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢(shì)。

參考資料：

1.https://www.nitech.ac.jp/eng/news/2021/9267.html

2.https://www.cea.fr/Documents/monographies/monographie-materiaux-du-nucleaire-intro.pdf

3.https://www.mednuc.net/casclinique/tumeur-neuro-endocrine-grele-tep-fdg-fdopa-octreoscan/

Pierre Henriquet，核物理學(xué)博士