文|Pierre Henriquet

编辑|Caroline Liang

一览：

• 对于宇宙最基本的组成物质的探索真正始于 19世纪。那时，康普顿发现了X射线的粒子性；德布罗意发现了实物粒子的波动性。
• 离子注入是粒子物理的基本技术之一，即将“杂质”注射进硅晶体，改变其导电性质。
• 粒子物理技术的实际应用包括食品加工，通过辐照延长食品保质期。
• 在法国 2014 年全国种植的葵花中，有 37 万公顷（56%）用的是伽马射线辐射诱变培育出的种子。
• 粒子物理技术还可用于医疗领域。用粒子放射源对血袋进行处理，可消除血液中导致致命疾病的细胞，让输血更加安全。

对于宇宙最基本的组成物质及其性质的探索，是在 20世纪初才真正开始。公元前 300 年前，德谟克利特通过推测得出了原子论，但直到 20 世纪初，人们才发现原子并不是最小的、不可分割的物质粒子，而是由更小的粒子组成。

当前普遍认为粒子是物质最基础的组成成分。但对于粒子物理的研究就像许多其他自然科学领域的研究一样：最初只是为了加深人类对世界的本质和组成的了解，但渐渐地衍生出了实际应用，让我们的生活发生了翻天覆地的变化。那么，粒子物理和我们的日常生活有哪些关联呢？

粒子物理最基本的操作就是用一束粒子轰击目标物质，研究轰击产生的效果并加以应用。不同类型的粒子和目标物质产生的效果千差万别，应用方式也多种多样。

01.电子产品中的粒子物理学

提到粒子物理学，就不能不提电子产品。

所有现代电子产品都离不开硅。硅是半导体物质，既载流子（外层自由电子和空穴）为四的元素。为增加载流子浓度，可对硅晶体进行掺杂，掺入其他元素的原子，改变硅的局部导电性。

掺杂工艺需要极高的精度。有些部位须要掺入能增加自由电子浓度的杂质原子，而另外的部位则须要掺入能增加空穴浓度的杂质原子，不同部位之间可能距离只有几微米。

掺杂可以通过离子注入技术实现：把杂质离子用强电场加速，让其获得很高的动能，轰炸基质，“挤”进基质的结构里。控制不同的粒子的加速速度，可使其“挤”进预设的深度，实现精准掺杂。

离子注入硅晶体示意图；（图片来源：名古屋工业大学 Masashi Kato ）[1]

02.辐照处理材料

辐照既可能是有意对材料进行处理，也可能是材料意外暴露，但必然会改变材料的微结构，因此常常用于研究和实践，以更好地了解材料的性质和其随时间流逝而发生的变化。

离子注入技术应用广泛，不仅限于电子设备生产。除了半导体掺杂，也可以用于材料表面处理。该技术可以改变目标材料的化学组成成分和表面结构。离子注入可优化材料表面的某些机械或化学特质（如硬度、耐磨度、疲劳强度、耐腐蚀度），同时不改变材料主体的基本性质。具体效果取决于基质的性质和注入的离子的性质。

辐照导致的材料老化现象，在核技术领域研究较多。钢铁是当代核能发电厂最重要的建设材料，暴露在放射性燃料棒（能量的释放来源）的强辐射之下。钢制的反应堆容器，是核电站里无法替换的设备。因此，了解并预测它在使用的几十年间的结构老化非常重要。

材料老化研究对于新一代核反应堆也具有意义，因为未来反应堆的温度将更高、辐射强度将更强。而且未来的热核聚变反应堆（如国际热核聚变实验堆（ITER）计划所建设的反应堆）的构件将直接接触等离子体，暴露在强烈的中子辐射中。

压水反应堆容器钢材硬度，蓝色代表辐照前，绿色代表辐照后 [2] CEA

03.日常生活中的粒子物理学

在食品行业则会使用辐照延长食物的保质期。辐照能扼制土豆和种子类食物的发芽，还能杀死寄生虫、霉菌和其他导致食品腐败变质的微生物。

食品辐照一般使用三类射线：X光、伽马射线、加速电子束。其中，X光和伽马射线都属于电磁波辐射，与可见光类似，但能级比可见光高。

辐照并不等于给食物彻底消毒。辐照后的食物仍须要妥善包装、烹煮才能安全食用。但是辐照能减慢变质的速度、延长保质期，还能防止昆虫和其他有害生物破坏蔬果或在蔬果上产卵。

伽马射线在农业中也得到了应用，可用于“辐射诱变育种”，其原理是利用辐射诱发、加速生物体内自然发生的基因突变。这一技术自上世纪五十年代便开始使用，可筛选出因变异而获得优良性状（口味佳、色泽好、生长快、果体大等）的新品种。

比如，在法国 2014 年全国种植的葵花中，有 37 万公顷（56%）用的是辐射诱变培育的种子。在美国德克萨斯州种植的葡萄柚 75% 属于“Rio Star”品种，比普通品种更红、更甜，也是辐射诱变培育出来的。

日本茨城县伽马射线育种园，开展辐射诱变育种工作（图片来源：谷歌地图）

04.医疗中的粒子物理学

电子加速器辐照装置的种种功能在医疗界也有着广泛应用，其中一个用途就是消毒医疗设备。具有放射性的铯-137 可释放伽马射线，将其作为放射源对血袋进行处理，消除血液中一些会导致致命疾病的细胞，能让输血更加安全。用于清洁、保存隐形眼镜镜片的护理盐溶液也是用辐照消毒的。

在核医学领域，人们使用核反应堆和粒子加速器生产地球自然界中不存在的放射性物质（这些人造放射性物质的半衰期很短，只有几天甚至几小时）。这些物质非常重要，可用于诊断成像（如PET成像使用放射性元素氟-18；闪烁扫描术使用锝-99）和放射治疗（如用于治疗甲状腺癌的碘-131）。

PET（正电子发射型计算机断层显像技术）成像图。PET通过使用放射性元素氟-18标记葡萄糖（左图）或标记多巴胺（右图），实现显像。[3]

当前科学家正在开发一种新的辐照疗法治疗恶性肿瘤：重离子辐照法。使用粒子加速器，对患者体内难以用普通手段杀灭的肿瘤（如脑肿瘤）进行定点轰击。这一放疗技术具有多重优势，如靶向性极高、对患者身体损伤较小。当前德国和法国都建设了重离子辐照法中心，希望在若干年后的未来，法国也能建设此类中心，发扬其优势。

参考资料：

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，核物理学博士