粒子物理的应用研究

摘 要：粒子物理作为现代物理最活跃的分支，受到了广泛的关注。它极大的丰富了理论物理学研究，同时也逐渐在生活中得到了广泛应用。该文将简要介绍粒子物理，同时探讨粒子物理在医学、军事和通信上、工业三大领域较成熟的应用。

关键词：粒子物理 医学应用 军事和通信应用 工业应用

中图分类号：O572 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-0-01

欧洲大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，通过该加速器加速后的金元素核，将会在彼此的对撞中，都被打的粉碎，这些碎片很可能就是现代物理所宣称的基本粒子。一些学者曾预言这个加速器可能会产生微小的黑洞。在欧洲引起了部分民众的恐慌。LHC的运转，让人们对新物理很期待，不管碰撞的结果如何，最终LHC都会推进粒子物理学的研究。下面将主要介绍粒子物理的概念与其广泛的应用。

1 粒子物理的概念与分类

那什么是粒子物理呢？粒子物理是指研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支，又称高能物理学。

在实验上可以把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的粒子，统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。

强相互作用是目前所知的四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离最短的（大约在10-15～10-10 m范围内）的力。作用于强子之间。最早研究的强相互作用是核子（质子或中子）之间的核力，它是使核子结合成原子核的作用。两个质子在原子核里面的作用力大约是230 N，由此可以见此作用力多强！

已经发现的轻子共计12种轻子。包括电子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重轻子），电子e 中微子、μ子中微子、τ子中微子，共有六种轻子，同时以上各粒子还有反粒子，也有六种。

最为熟悉的重子是质子和中子，其他还有Λ、Σ、Ξ、Ω等粒子，其质量均超过质子和中子，故又称超子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。

2 粒子物理的应用

听这些词儿觉得粒子物理觉得距离我们很远，其实它在医学、军事和通信上、工业三大领域早有用途。

2.1 在医学上的应用

粒子物理学在医学上的常见应用可分为两种：成象和治疗。

在成象领域，最早的X摄像和彩超技术。就离不开这些有用的粒子。现在成象技术发展到分子影像：可以更精确的成像和诊断。比较典型的设备有：非常正电子发射计算机断层显像（PET），一种进行功能代谢显像的分子影像学设备。采用正电子核素作为示踪剂，它通过病灶部位对示踪剂的摄取了解病灶功能代谢状态，从而对疾病作出正确诊断。不夸张的说，没有粒子物理的进步，医疗技术将还会停留在19世纪的水平。

在治疗领域，过去的50年里，医学物理学家是发展和利用粒子加速器治疗癌症的先锋。线性加速器能够将高能量的电子或X射线光柱传递到恶性肿瘤中，从而杀死癌细胞，并阻止肿瘤生长。近年来，一种叫做IMRT（强度调节放射治疗）的先进技术，更是提升了放射疗法控制肿瘤的能力。

IMRT利用计算机程序来精确确定治疗范围，并控制加速器光柱以传递最大剂量的射线到肿瘤中，同时将周围健康组织的照射剂量做到最小化。IMRT已经用于治疗脑癌、头颈和气体等恶性疾病。

在现代手术室有一种特殊的刀―粒子手术刀。能把能量会聚到非常精确的小体积内。让手术非常精准。粒子手术刀具有许多优点：简便、省时，不必住院，治疗全部自动化。精确度高，误差只有0.1 mm；真正做到手术无创伤，病人无痛苦，不出血，而且无感染，无并发症，治疗过程无思想负担。优点大大超过实体手术刀。病人医生护士都很满意，越来越广泛应用于临床。

2.2 在军事和通信上的应用

随着核技术的进步，现在发展了一种利用高能粒子的粒子束武器。用高能强流加速器将粒子源产生的电子、质子或离子加速到接近光速；利用磁场聚焦成密集的粒子束流，粒子运动时，能量高度集中，穿透力强，脉冲发射率高，能快速改变发射方向等，并且零噪声。能广泛的去摧毁敌人的飞机、导弹、卫星等目标。

光子在光纤的传输，极大的改善了通信，由此人类进入了网络社会。原香港中文大学校长高锟因此获得了诺贝尔奖。

另外理论学家，已经给出中微子通信的前景。静止质量极小的中微子，能以近光速的速度作直线运动，在传播过程不反射、不折射也不散射，穿透能力强，能轻而易举地穿过地球。它将是比光子更优良的通信微粒。理论学家同时也证明了中微子通信将有超强抗干扰性和保密性。大批的知名学者也投入到了，中微子的通信应用研究上，也许在不久，我们将迎来中微子通信时代。

2.3 在工业上的应用

利用中子和物质相互作用的一些特点，可以进行中子测水勘探石油、煤矿等。其方法一般是将中子沿井管下降到各地层，测量快中子和地层中物质作用后产 生的慢中子或次级γ（伽马）光子，以判断该地层 中有关物质的含量做到中子测井。

当高能电子在磁场中偏转时，会产生同步辐射。由几个Gev（10亿电子伏特）的电子同步回旋加速器和储存环产生的同步辐射是最好的光刻用的X射线源。

3 结语

随着技术的进步，粒子物理将会带来更多的精彩，小小粒子是一个个不朽的

传奇。

参考文献

[1] 褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，1979-06-01.

[2] 汪志诚.热力学.统计物理[M].北京：高等教育出版社，2008.