文|Pierre Henriquet

編輯|Caroline Liang

一覽：

• 對于宇宙最基本的組成物質(zhì)的探索真正始于 19世紀。那時，康普頓發(fā)現(xiàn)了X射線的粒子性；德布羅意發(fā)現(xiàn)了實物粒子的波動性。
• 離子注入是粒子物理的基本技術(shù)之一，即將“雜質(zhì)”注射進硅晶體，改變其導(dǎo)電性質(zhì)。
• 粒子物理技術(shù)的實際應(yīng)用包括食品加工，通過輻照延長食品保質(zhì)期。
• 在法國 2014 年全國種植的葵花中，有 37 萬公頃（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。用粒子放射源對血袋進行處理，可消除血液中導(dǎo)致致命疾病的細胞，讓輸血更加安全。

對于宇宙最基本的組成物質(zhì)及其性質(zhì)的探索，是在 20世紀初才真正開始。公元前 300 年前，德謨克利特通過推測得出了原子論，但直到 20 世紀初，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)前普遍認為粒子是物質(zhì)最基礎(chǔ)的組成成分。但對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世界的本質(zhì)和組成的了解，但漸漸地衍生出了實際應(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物質(zhì)產(chǎn)生的效果千差萬別，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，可對硅晶體進行摻雜，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。

摻雜可以通過離子注入技術(shù)實現(xiàn)：把雜質(zhì)離子用強電場加速，讓其獲得很高的動能，轟炸基質(zhì)，“擠”進基質(zhì)的結(jié)構(gòu)里。控制不同的粒子的加速速度，可使其“擠”進預(yù)設(shè)的深度，實現(xiàn)精準摻雜。

離子注入硅晶體示意圖；（圖片來源：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材料進行處理，也可能是材料意外暴露，但必然會改變材料的微結(jié)構(gòu)，因此常常用于研究和實踐，以更好地了解材料的性質(zhì)和其隨時間流逝而發(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械或化學(xué)特質(zhì)（如硬度、耐磨度、疲勞強度、耐腐蝕度），同時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（能量的釋放來源）的強輻射之下。鋼制的反應(yīng)堆容器，是核電站里無法替換的設(shè)備。因此，了解并預(yù)測它在使用的幾十年間的結(jié)構(gòu)老化非常重要。

材料老化研究對于新一代核反應(yīng)堆也具有意義，因為未來反應(yīng)堆的溫度將更高、輻射強度將更強。而且未來的熱核聚變反應(yīng)堆（如國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃所建設(shè)的反應(yīng)堆）的構(gòu)件將直接接觸等離子體，暴露在強烈的中子輻射中。

壓水反應(yīng)堆容器鋼材硬度，藍色代表輻照前，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)則會使用輻照延長食物的保質(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、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，與可見光類似，但能級比可見光高。

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、延長保質(zhì)期，還能防止昆蟲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)自上世紀五十年代便開始使用，可篩選出因變異而獲得優(yōu)良性狀（口味佳、色澤好、生長快、果體大等）的新品種。

比如，在法國 2014 年全國種植的葵花中，有 37 萬公頃（56%）用的是輻射誘變培育的種子。在美國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的。

日本茨城縣伽馬射線育種園，開展輻射誘變育種工作（圖片來源：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，將其作為放射源對血袋進行處理，消除血液中一些會導(dǎo)致致命疾病的細胞，能讓輸血更加安全。用于清潔、保存隱形眼鏡鏡片的護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）。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)射型計算機斷層顯像技術(shù)）成像圖。PET通過使用放射性元素氟-18標記葡萄糖（左圖）或標記多巴胺（右圖），實現(xiàn)顯像。[3]

當(dāng)前科學(xué)家正在開發(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，對患者體內(nèi)難以用普通手段殺滅的腫瘤（如腦腫瘤）進行定點轟擊。這一放療技術(shù)具有多重優(yōu)勢，如靶向性極高、對患者身體損傷較小。當(dāng)前德國和法國都建設(shè)了重離子輻照法中心，希望在若干年后的未來，法國也能建設(shè)此類中心，發(fā)揚其優(yōu)勢。

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