核科学技术对人类社会发展的影响

核科学技术对人类社会发展的影响

摘要：核科学与技术是一门由基础科学、技术科学及工程科学组成的综合性很强的尖端学科。主要研究核能科学与工程、核燃料循环与材料、核技术及应用、辐射防护及环境保护。核技术由于能在微观层次改变物质性质或获取物质内部的微观信息，已成为许多领域研究微观层次的重要手段。核技术的发展已为人类提供了多种类型的辐射源和辐射探测系统、各种辐射谱仪、各种核医学和工业影像系

统、各种核测控系统和各种物质改性和遗传变异技术，对社会、经济发展起了重大作用。

关键词：核科学技术，发展历史，应用，影响

一．核科学技术的发展历程

1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。

1919年，卢瑟福等发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变反应。此后用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。

20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到30年代初，静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。

1905年，爱因斯坦完整地提出狭义相对论。揭示了质量与能量的关系。为核能的应用提供了理论基础。20世纪40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象；1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆，这是人类掌握核能源的开端。但巨大的能量也为毁灭性的的武器制造创造了条件。

奥本海默于1942年开始领导曼哈顿计划。1945年8月6日，美国飞机在日本广岛投下“小男孩”这颗原子弹（枪型），8月9日，又投下了“胖子（内爆型）”。这两颗原子弹，是人类历史上首次使用这种毁灭性武器进行攻击。核战争从此笼罩在人类头上。

核能最先也是被运用到军事上，被应用于航空母舰和潜艇的动力来源上，苏联也用于其他舰艇，如破冰船。后来才逐渐转接到民用方面，最主要的应用方面是核电站。除了工业方面的规模应用外，核科学在医学诊断和治疗、材料分析和新材料研制、农业的育种和病虫害的防治以及食品贮藏保鲜方面都得到广泛的应用。

二．核科学技术的应用

1. 核科学技术在工业上的应用

放射性同位素示踪技术可应用于物质的鉴别和探伤、流速测定、电子直线加速器泄露和破损探测、工业过程的物料研究、质量体积的测定和传质的研究、磨损研究以及混合物均匀性研究等。

工业生产中，应用放射性同位素的核测量系统可用于确定材料物理特征（料位、密度、厚度、质量）或化学特征（含水量、金属含量、硫含量），作为对工艺流程或生产过程自动监测、自动控制而被广泛的应用。工业通用核测量系统以放射性辐射和被测量的物质相互作用时物质吸收或放射线所产生的信息为基础，通常用于材料高度测定、厚度测量、密度测量、湿度测量和质量测量。应用核测井技术可以勘探矿产。辐射加工技术应用于辐射物理加工、核能转变、改变介质的导电性、辐射化工加工、高分子材料合成、食品工业辐照加工等。

2. 核科学技术在农业上的应用

利用放射性同位素示踪技术，可以研究农作物的新陈代谢，根、茎、叶、果实等各个部分在新陈代谢中的作用，如怎样在土壤中施肥，什么时间施肥效果最好，光合作用的机制、农药残留和安全用药标准等等问题。

例如20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin）用小球藻做实验：用14C标记的CO 2（其中碳为14C）供小球藻（一种单细胞的绿藻）进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。这个结果可以让人们修改过去传统的施肥方法，而以另一种新方法去向土壤中施加（使之富集二氧化碳）无机和有机肥料。还有一些工作，如除草剂的研究、家畜或鸡饲料中养分的传送方式的研究以及各种昆虫生态方面的研究等等，都离不开示踪剂的方法。

利用辐射育种的方法可以进行农作物新品种的培育。1927年在玉米育种工作，首先发现X射线能诱发植物突变，开创了人工诱变育种的先河。第二次世界大战后许多国家大量开展辐射育种。据统计，到20世纪80年代，全世界辐射育成新品种500多个，其中农作物品种约300个，观赏植物品种200多个。

我国利用同位素辐射技术培育农作物新品种的工作始于20世纪50年代末期。至1975年育成水稻、小麦、大豆、棉花等8种作物突变品种70余个，并在生产上初见成效。1976年以后，同位素辐射育种有了新的进展，育成的农作物品种增多，突变品种的利用价值逐步提高。

应用放射性同位素辐射防治病虫害，是现代生物防治虫害的一项新技术，它不仅防治效果好，而且没有用农药所带来的污染问题。主要方法有两种：一种方法是利用射线直接杀死害虫，即用较高剂量的γ射线照射害虫，在较短时间内将某种害虫全部杀死，应注意的是不同害虫对射线的敏感程度不同，耐受力也不同，如几种害虫一起存在，就需采用不同的剂量或辐射方式，这种杀虫方法效果好，而且经济。另一种方法是使昆虫不育。即利用射线对昆虫生殖腺的生理作用，造成雄性不育，然后将大量不育雄虫释放在大田间里，让它们与自然界的雌虫进行交配，这样生成的卵往往是不能孵化的，因此可以减少害虫的繁殖，经过数年，就可以比较彻底地消灭某些害虫，至少可以将害虫群体压缩到很小程度，尤其对那些产生抗药性的害虫，这种雄性不育技术就更有实用价值。

食品辐照技术是用7射线、X射线、电子束等对食品进行处理，以达到杀虫、杀菌和抑制发芽等提高食品的卫生质量、延长食品(农产品)货架期等目的。经过全球几十年的研究，业已证明食品辐照技术是一种有效安全的食品加工方法。在1983年和1998年，世界卫生组织先后声明辐照食品是安全的，不存在毒理学、营养学和微生物学上的任何问题。和其他杀虫杀菌的食品加工方法相比，食品辐照技术因不利用任何化学物质，加工后的食品中不会有任何残留，也不会对环境造成危害。由于射线具有可穿透的特点，可以在不破坏食品原包装的情况下进行辐照处理，使其在提高食品安全性和作为水果的检疫处理方法两方面均得到了越来越广泛的实际应用。

自上世纪80年代以来食品辐照技术已被成功地用于杀灭香辛料、冷冻虾和肉制品中的细菌，以及抑制大蒜、土豆的发芽。鉴于食品辐照的技术优势和安全性，全球辐照食品量逐年上升，在2006年已达约40万吨。

3.核科学技术在医学上的应用

1895年,伦琴发现了X射线,由于X射线具有良好的穿透性,人们立即领悟到它将在医学的潜在应用。X射线用于诊断疾病产生了放射诊断学,同时它还被应用于

治疗疾病,成为放射性治疗的重要方法。1896年,法国物理学家贝克勒尔发现了天然铀同位素的放射性,随后,居里夫妇发现“钋”和“镭”两种天然放射性核素。紧接着,贝克勒尔、居里夫妇、卢瑟福等一些科学家互相合作、交流,于1899年发现了α,β射线,1900年发现了γ射线,并且逐步获得了三种射线的不同特性。1911年,人们就产生了应用放射性同位素示踪,即利用放射性同位素的射线来跟踪这些原子踪迹的想法。1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮核,研制人工同位素,为放射性同位素的利用打下了基础。

1923年赫维赛出色地完成了在生物领域中的第一次同位素示踪,当时他主要是利用β射线来示踪。1925年,放射性示踪剂第一次用于人体,测定了正常人和心脏病人的血流速度。1934年,约里奥?居里夫妇第一次用人工方法获得了放射性核30素P,从而拓宽了人们的眼界,开辟了获得各种放射性核素的前景,也揭开了核医学的序幕。1942年,费米在芝加哥建成了第一个核反应堆,这为放射性同位素的生产开辟了新途径。

1946年,随着核反应堆的投产,使一些放射性核素得以较大规模地生产,标记技术相伴发展,成功地制备了较为复杂的标记化合物。1949年γ闪烁功能仪和1951第一台自动γ闪烁扫描仪的制成,为利用各种放射性核素及其标记化合物进行脏器显像和功能测定提供了条件,为临床核医学的建立奠定了基础。

1953年,NewellR首先提出了核医学(nuclearmedicine)的概念,核医学获得了初步的发展。20世纪60年代前后是核医学迅速发展的一个时期。人们利用加速器和发生器生产出更多、更加符合临床要求的放射性核素,并用它们制备出更多的标记化合物。1957年,AngerH制成了第一台γ照相机。γ照相机取代了扫描机,成为近30年来最基本和最主要的核医学显像仪器。1960年,YalowRS和Berson创立了放射免疫分析技术,开辟了医学检测史上的新纪元。经过十余年的努力,放射免疫分析技术就发展到能够测定300多种体内微量物质的水平,对核医学的进步产生了巨大的影响,为此,Yalow荣获了1977年的诺贝尔医学奖。

20世纪70年代中后期出现了放射性核素断层显像装置。1975年,第一台利用发射正电子的放射性核素进行脏器断层显像的仪器——正电子发射计算机断层照相机(PET)研制成功。这一研究成果的应用,开创了分子水平的无创伤活体研究人脑功能和心肌存活情况的工作。核医学进入到了现代核医学的阶段。1979年,利用发射γ射线(即单光子)的常用放射性核素进行脏器断层显像的仪器——单光子发射计算机断层照相机(SPECT)研制成功,随后得到广泛的应用。放射性核素显像成为现代四大医学影像之一。核医学也就成为当今解决心、脑血管和肿瘤三大疾病的重要方法。

80年代,心脑代谢、功能显像剂的研制成功以及单克隆技术的应用,使临床核医学进入到一个新的阶段。

核医学主要有以下几个重要的分支学科：肿瘤核医学、神经核医学、核心脏病学。我国核医学发展也很迅速。到2000年,我国有800多家医院开设了核医学科,2000多家不同等级的医院开展了放射免疫分析及体外检测技术。全国拥有的现代核医学显像设备,包括350多台SPECT、12台PET仪、PET中心8个。现在,多种放射性核素和放射性药物、药盒除供应国内还有部分出口国外,年显像约100万人次,年体外放射分析约5000万人次。核医学的影响越来越大,正在造福于人类。

4.核科学在军事上的应用

以核裂变或者聚变产生能量作为主要杀伤破坏机理的武器已经经历了系列发

展，最初是20世纪四、五十年代研发并且投入到战争的第一代核武器原子弹，到六七十年代第二代核武器，包括先裂变后聚变的双相弹——氢弹以及经历裂-聚-裂反应的三相弹——氢铀弹，在威力上大大增加，再到八十年代后的第三代核武器，即把核爆炸的核辐射、冲击波等某一种效应进行增强的核武器，如中子弹、等离子体武器、电磁脉冲弹、冲击波弹、激光武器等，发展到现在的能量巨大但同时又不会产生核污染的第四代核武器。以核反应堆产生的能量为动力的实例有核动力潜艇，而核动力的出现，解决了传统引擎不能提供足够电力以保障续航时限的问题，同时提高潜艇移动速度以及运行所产生的噪音。同时也有核动力航空母舰，核动力解决了这种巨舰所需的巨大动力和能源问题，给其他作战物资腾出了空间。

5.核能在发电方面的应用

核能（或称原子能）是通过核反应从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程E=mc² ，其中E=能量，m=质量，c=光速。核能可通过三种核反应之一释放：1、核裂变，较重的原子核分裂释放结合能。2、核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结合能。3、核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。现代核电站都是以核裂变这一反应进行发电的。

核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统），使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。20世纪50年至60年代初，苏联、美国等建造了第一批单机容量在300MWe左右的核电站，如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站，法国的舒兹(Chooz)核电站，德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电站，日本的美浜1号核电站等。第一代核电厂属于原型堆核电厂，主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。20世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电发展，世界上已经商业运行的400多台机组大部分在这段时期建成，称为第二代核电机组。第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化，以提高经济性。目前世界主要还是第二代核电站。第三代核电站已经提出并在建造中，第四代核电站则概念提出还不久，实现商业化还需一段时间。

核电的优点主要有以下几点：1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染.2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳.3.核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,没有其他的用途.4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存 都很方便,一座1000兆瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料,一航次的飞机就可以完成运送.5.核能发电的成本中,燃料费用所占的比例较低,核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响,故发电成本较其他发电方法为稳定.

相应的，核电的缺点有：1.核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过之核燃料,虽然所占体积不大,但因具有放射线,故必须慎重处理,且需面对相当大的政治困扰.2.核能发电厂热效率较低,因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏,故核能电厂的热污染较严重.3.核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高.4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转.5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争.6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质,如果在事故中释放到外界环境,会对生态及民众造成伤害.