11月14日21世纪的中子科学赵志祥-第1节

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　　11月14日　21世纪的中子科学　赵志祥
　　主讲人简介
　　赵志祥，核物理学家，1950年8月出生，黑龙江齐齐哈尔市人。1977年毕业于复旦大学物理二系，1986年在中国原子能科学研究院获得硕士学位。1989年至1990年在美国橡树岭国家实验室参加合作研究。1994年任研究员、博士生导师，1995年获得国务院政府特殊津贴，2000年获得部级有突出贡献的中青年专家称号。主要从事中子核物理研究工作，涉及领域包括：共振参数和平均共振参数分析、核数据评价及评价方法研究、核反应截面系统学研究及数据处理和误差分析。近年来主要从事加速器驱动洁净核能系统的研究。
　　全文
　　我今天报告的题目是21世纪的中子科学，我想首先要回顾一下，20世纪中子科学所取得的成就，及其对社会经济发展所产生的深远影响，中子是物质微观世界的一个层次，原子核是由中子和质子所组成的，回顾中子发现的这段历史是非常有意思的，在1920年，卢瑟福当时就预言，原子核的内部可能会存在着一种中性的粒子，但是这个一直没有找到，那么在1930年，德国科学家波特和贝克，他的学生，在实验室里用阿尔法粒子，去轰击铍，但是发现了一种很奇怪的射线，因为当时伽玛射线和质子，都已经被发现了，但是如果说这种射线是质子的话，那么它的射程就太长了，因为质子它带电，所以射程比较短，如果说它是伽玛射线的话，那么推算出来的能量又太大了。
　　所以这样一个消息，传到法国之后，当时约里奥。居里，就在他的实验室，用改进的实验方法，进一步的研究这个射线的性质，结果他发现，如果认为这种射线是伽玛射线的话，那么它的能量，推算出来的能量，将达到50兆电子伏特，所以很难想象原子核会发出这么强能量的伽玛射线，同时他还观测到这种射线可以在石腊之中打出质子来，其实所有这一切证据都发明这种射线不大可能是伽玛射线，但是，这个非常遗憾的是，居里当时是没有突破旧的理论的这样一种束缚，他非常勉强地，非常牵强地，仍然把这种射线解释成伽玛射线，结果这个报告发表之后，查德威克看到这个报告之后，他马上就联想到，说这有没有可能就是1920年卢瑟福所预言的，那种所谓的中性粒子，所以他又重新设计了实验，那么1942年在《nature》杂志，就是《自然》杂志，发表了他的实验结果，并且正式把这种中性粒子定名为neutron，也就是中子，所以这段历史也是非常有意思的。
　　那么查德威克本人，也因为这个发现，获得了诺贝尔物理学奖，在这个中子发现之后，在不长的时间里，在1934年，费米发现了中子的核嬗变，那么在1938年哈恩和斯特拉思曼发现了中子会诱发核的裂变，这样几个里程碑式的科学发现，就奠定了中子科学的基础，也奠定了中子科学应用的基础，在中子科学应用的方面，可以包含这样几个里程碑的事件。
　　1942年，第一座原子核反应堆，在美国建成，投入运行，也就是所谓的费米堆，那么在1945年，第一颗原子弹，在美国实验成功，那个时候第二次世界大战还在继续进行，那么在1952年第一颗氢弹在美国实验成功，那么在1954年，第一艘核潜艇，也就是所谓的“舡渔号”在美国下水，在同一年，第一座示范的核反应堆核电站，在前苏联建成投入运行，所以我们可以看到，中子的发现，可能要算是世界上很少的这么几项基础研究成果，它能够产生这么重大的社会影响，这是比较少数的几个基础研究成果，我们也可以这样讲。
　　原子核科学能够从一门实验室内的，纯粹的基础研究，转化成一门具有重大实用价值的一门学科，这样几个科学发现，这样几个里程碑式的中子科学的应用，奠定了它的基础，也可以说是一个重要的转折点，那么，中子因为它本身的话呢，它是不带电的，因此它和原子核的相互作用，它可以不受到库仑位垒的影响，另外它在穿越物质的过程中，它不会引起物质的电离，因此，中子，在物质中的射程可以是非常长的，那么这一点就非常有利，我们可以选用比较厚的靶，来做中子的实验，这样的话，我们就可以增加靶核和中子相互作用的几率，所以中子，对于我们作为一个探索物质微观结构的一个探针，来研究核结构，来研究核反应的机理，是一个非常理想的这样一个工具，那么它对核物理学科的发展，应该说起了重大的作用。
　　我们刚才谈到中子诱发核裂变，这样一个实验事实，直接导致了我们核结构的第一个模型，叫做液滴模型，它的建立，对于我们中子辐射俘获反应这样的实验观测事实，对于核结构的基本模型也就是说所谓壳模型，它的建立和发展，起了非常关键的作用，慢中子在它引起的核反应的话，有一种奇特的所谓共振的现象，同时它在比共振能区低的能区，中子和靶核的作用几率，随着中子的速度，它是成反比的，我们叫做微分之一规律，那么这样一些实验事实，就导致了核反应复合核理论的建立。
　　同样，关于快中子核反应的实验观测事实，对于光学模型理论，和中间过程理论的建立和发展，都起了至关重要的作用，对于交叉学科的发展也是一样，我们知道，核物理学科和天体物理学科交叉，已经形成了一门新的学科，叫做核天体物理学，那么这门学科它主要研究的是恒星元素的形成，以及它的丰度分布，在这门学科之中，中子核反应有若干参数，是起着至关重要的作用，我们知道，重于铁的这些核素，按照有关理论的描述，它应该是中子辐射俯获过程，也就是说，一个靶核吸收一个中子，放掉一个伽玛射线，它这个质量数增加了一个，然后这样不断地吃中子，它的质量数不断增加，然后再经过beta衰变，转变成其他的核素，那就是说比铁的核数都是这样逐渐形成的，所以这样，我们研究模拟这个过程，就需要大量的中子辐射俘获反应截面数字。
　　另外我们知道中子具有波粒二象性，大家知道，光同时又是一种粒子，也就是说光具有（粒子性），它既是一种光，又是一种粒子，同样中子也是一样，它既是一种粒子，同时还有波的特性，你也可以把它看成是一个波，那么热中子的波长，大概是1个A到10个A，这样一个尺度，这个正好是晶格，这个晶体，晶面距离的大小，也是我们生物大分子这样一个尺度，所以，用中子研究复杂物质微观结构的一个非常理想的探针，对于材料科学和生命科学领域，中子散射技（术）是一个非常有利的工具。
　　当然，对这一点的认识，不是一开始就形成的，而是经过了一段时间的实践，我们知道在1994年有两位科学家获得诺贝尔物理学奖，但是非常有意思的是，他们获奖的成果，是在40年50年之前取得的，在1946年美国的绍尔用中子衍射的方法，研究磁性材料，1955加拿大的布罗克豪斯用中子散射技术，研究晶格动力学，那么当时，他们这两个（人的）工作，并没有引起大家太多的重视，太多的注意，但是在40年和50年之后，他们因为这两个开创性的工作，获得了诺贝尔物理学奖，所以这个在诺贝尔奖历史上非常罕见的这种迟到的荣誉，表明了这样一个事实，就是中子散射技术，经过了几十年的实践，它的重要性，已经逐渐地得到了国际学术界的认可，以上我们说的是中子科学对一些基础学科发展所起的作用。
　　同样中子科学对20世纪社会政治和经济的发展，也产生了举世公认的巨大的影响，我们知道，一个热中子，轰击一个重的原子核，它可以使得这个重的原子核分裂成两块，这个过程我们叫做核的裂变，那么裂变之后，当然有两块碎片，同时还要有一些其他的产物，但是所有这些裂变的产物它的质量加在一块，要比这个原先的中子和重原子核的质量要轻一点，那么这个质量跑到哪里去了呢，按照爱因斯坦的理论，物体的能量，等于质量乘上光速的平方，这个质量损失转化成了能量，所以每一次核裂变，大概要释放200兆电子伏特的这样一个能量，当然每一次裂变，还要放出二到三个中子，那么如果说，这个重原子核数量足够多，重元素的体积和重量足够大的话，那么裂变放出的刺激中子，还有可能引发临近的原子核进一步产生裂变，那么这个过程可以会不断地持续下去，我们把这个过程叫做链式反应，所以裂变和链式反应，就构成了我们核能利用的一个基础，所以从（20世纪）50年代，因为1954年在前苏联第一座示范核电站建成投入运行之后，人们宣布人类进入了原子能时代，那么到今天，在全世界各地正在运行的反应堆核电站总计有440所，那么正在建设的核电站大概还有107座，在全世界总的核电的装机容量达到了351。2GWe，反应堆总的运行史达到了8800堆年，那么在全球发电量里边有17％是来自于核电。
　　，在一些国家核电的比例，应该说是达到了一个非常高的比例，比如讲在法国，核电所占的比例达到了79％，那么在比利时，这个比例大致上是60％，在我们的近邻日本核电的比重大概占到30％左右，这个比例还是相当大的，当然，中子诱发核裂变的发现，也导致了核武器和核动力舰船的出现，对人类历史和世界政治力量格局产生了重大的深远的影响，当然这一点，千秋功（过）应该由后人来加以评说。
　　我们知道用中子去辐照稳定的同位素可以产生人工的放射性同位素，这些放射性同位素在自然界可能是不存在的，但是我们通过用中子来辐照稳定的同位素可以把它生产出来，广泛的应用于工业和医学，这个已经形成了一个产业，并且产生了巨大的经济效应和政治效应，据不完全的统计，现在，全世界生产的放射性同位素，80％以上是用于核医学，用于治疗和诊断，每年产生的经济效益，总产值大概是几百亿美元，那么在美国有一个数字，美国人大概有四分之一，死亡的25％，是死于癌症，那么在癌症患者中，有50％，也就是一半的癌症患者要接受放射性治疗，所以每年接受放射性诊断和治疗的病人，在全世界达到上亿人次，应该说，放射性同位素结合医学，帮助成千上万的癌症患者延长了生命，这个社会效益是极其巨大的。
　　当然中子科学还有其他一些非常重要的应用领域，像中子活化分析，中子掺杂生产半导体器件，中子辐照育种，中子探伤，中子照相，中子测井等等，广泛的服务于像国家安全，资源勘测，环境监测，农业增产等等领域，也都产生了不可估量的社会效应。
　　那么下边，我想向大家介绍一下20世纪中子科学研究的平台，这样一个情况，什么叫做中子科学研究的平台，所谓中子科学研究的平台，它的核心就是一个能量适当，强度适当的中子源，因为我们要进行中子科学的研究，要用中子做探针，去开展各种各样的研究，我们必须有一个适当的中子源，最早期使用的是所谓的放射性同位素中子源，这种放射性同位素中子源，它是用可以自发发射阿尔法射线的这种元素，这种材料，和某一种材料混合在一块，那么通过（阿尔法。n反应）来产生中子，就是说，靶物质，可以吸收一个　　　　阿尔法射线，放射出一个中子，那么这个反应过程我们叫做（阿尔法。n反应），那么通过这种反映来产生中子，它的优点，就是说它可以中子源非常的微小，非常小，用起来比较方便，但是，缺点也是很明显的，因为首先这种中子源它的强度做不了太高，我们叫做中子注量率，非常低，同时，这种中子源它通常都有寿命的限制，也就是说，随着时间（的推移），中子源的源强要逐渐地衰减，这样一些缺陷都影响了限制了它的使用，那么20世纪我们做中子核物理研究，主要的工具还是低能粒子加速器，这种低能粒子加速器我们可以用它产生带电粒子束，然后用它来轰击一个靶，通过核反应来产生中子，它的特点是，能量是单一的，而且，它脉冲的性能比较好，脉冲化的性能对于我们做精密的核物理实验是非常重要的，同时我们也可以用中能电子加速器，产生中能电子束，然后用它去轰击一个重元素的靶，那么在靶中通过韧致辐射，产生光子，产生伽玛射线，这个伽玛射线，再用光核反应，在靶中产生中子，这样一种中子源我们通常叫它白光中子源，因为这种中子源它的能量不是单设，它这个能量是连续的，可以提供从电子伏特到几十兆电子伏特，这样一个宽广的能区。
　　低能加速器