作者 | 赵玉民 教授 (上海交通大学物理与天文学院)
在讨论原子核科学技术时，许多民众首先想到的是核武器(很厉害)、核辐射(很恐怖)，这可能是因为某些影视作品和文章负面宣传实在过于深入人心了。这种负面印象在中国如此，海外也差不多。因此，关于原子核科学相对全面客观的介绍说明，对于提升公众的知识结构是很有必要、也是很重要的。本文主要讨论原子核科学与民生应用。一个学科的生命力在于实践，特别是社会上相对大规模的实践和应用对于一个学科发展一定会产生源源不断的动力。原子核科学的民生应用在社会舆论方面被极大地低估，甚至没有什么名气;原子核科学对于社会的舆论影响甚至远赶不上那些影视明星的生活八卦。本文希望表达的是：原子核科学于民生有大用，而且是科学领域在改善民生方面的佼佼者!
现在其实已经有许多文字和宣传材料解释原子核科学在民生方面的应用，这里先说说大家都知道的核能应用。我们知道，充足的能源是人类现代社会可持续发展的必要条件。因为个别国家利用石油货币周期性地从全世界其它国家身上薅羊毛，而且化石能源(煤炭、石油、天然气)资源不可再生、环境保护压力(碳排放和环境污染),利用核能就既必要又十分重要。
因为核能技术的发展，核能越来越成为能源的重要选择。例如，美国核能比例约为总电力的20%，法国核电比例则高达75%。经过快速发展，我国核电比例从2012年的不足2% 提高到2018年底的4.22%，这个比例仍然不高，所以还有很大提升空间。
核电的GDP非常大，这点是不言而喻的。如今，核电已经发展到第三代、第四代，就象网络的4G和5G一样。三代和四代核电的安全性、经济性远高于几十年前建造的核电, 而且核废物量少，其中第四代核电系统还可以有效防止核扩散，因此代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿。国际社会提出在2030年前开发六种第四代核电站的新堆型，这是多么美好的前景。
2006年，欧盟和世界主要大国(中、美、俄、印、日、韩)共同签署了历时35年的国际热核聚变实验堆(ITER)计划, 建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆, 即核聚变能源发电的实用化。利用核聚变能源发电的诱人之处在于聚变能的资源无限，而且没有放射性核废料，这是未来能源的主导形式, 也是最终解决人类社会能源和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径。ITER 计划是实现聚变能商业化的第一步。
下图是取自于美国Contemporary Physics Education Project (CPEP)对于核科学介绍的一个插图，说明原子核科学在各个方面的广泛应用。我们挑几个简单内容讨论一下。
图 原子核科学的应用范畴。图源 | Nuclear Science, Contemporary Physics Education Project (CPEP)
我先说一个非物理专业同胞们可能不知道的应用——核技术广泛应用于考古。这是什么道理呢?原来， 在大气层顶部一直发生一种核反应：来自外太空的中子轰击到大气中的氮-14原子核，一个中子把一个质子敲出去，这个中子留在原子核内，从而把氮-14转变成碳-14。这些碳-14转化为二氧化碳后被植物吸收，然后再被动物吃掉，从而参与生物圈的循环。因为这个过程在过去很长时间内产额都很稳定，又因为碳-14会衰变，经过上亿年后，碳-14与通常的碳-12在地球上的比例就确定下来成为一个常量。
在地球环境中，每10^12 个碳原子中有一个是碳-14，这一点对于所有参与生物循环的生命都是一样的，不管是一棵小青菜、一棵大树，还是美国有权有势的前总统特朗普或者阿富汗边远村落一条吃不饱食物的狗狗，体内碳-14与碳-12的比例都是相同的。可是一旦生物体死亡了，生物体内的碳就不能参与外面的碳交换了(即碳-14 就无法补充了); 由于碳-14衰变，死亡生物体内的碳-14含量就比外面的要少，时间越长碳-14含量越少。碳-14的衰变周期为5730年，因此很适合几乎“无损伤地”鉴定时代久远的文物。
这里我说两个相关的例子。一个是关于都灵裹尸布 (shroud of Turin) 的鉴定。人们认为这块裹尸布曾裹在耶稣身上，那么这块裹尸布究竟是真的吗?当然年份上要正确，否则就不要谈下去了。这个过程做得十分严谨，为了完全确认这块裹尸布的年代，还成立了一个链条很长的委员会，从裹尸布上取了约150mg的样本，分发给五家国际实验室，最后比较所有样本的测量年份。这个著名工作发表在 Nature 227, page 611 (1989)。另一个例子是我国的越王勾践剑的鉴定，也是同样的思路，这是我国核物理学家杨福家教授的成果，实验结果证明了该剑的年份。说这些可能大家觉得离自己生活比较远，下面我们聊聊在生活中常见的一个小东西。在每个旅馆里有一个标配，在天花板顶上有一个很小的圆形盒子——烟雾报警器。它的工作原理很简单：里面有放射性的重核素Am-241，它会发生alpha衰变，产生的alpha粒子会把空气电离，从而可以形成极其微弱的电流回路;假如空间中的烟雾达到某个临界值，因为烟雾是一团又脏又重的大颗粒，这些烟雾颗粒就挡住alpha 粒子，空气就不能再被电离，微弱的电流回路就大幅减少或者没有了。系统设置当这种电流减弱发生时就立即自动报警。
我有一个数据，同样来自于Contemporary Physics Education Project (CPEP) 对于核科学的介绍: 2003年，美国每年住院人口3000万，1/3 是用“核药”治疗的;美国每年约1亿次核医药试验，世界其它地方加起来差不多大致这个规模。这个数据是否很令人惊讶呢?
过去，肿瘤治疗主要靠核辐射的gamma射线(也是核科学技术)，现在可以用重离子轰击肿瘤细胞。人们可以根据肿瘤细胞所在生物体内的深度，计算出医用的重离子能量，从而准确杀死肿瘤细胞，而不是像传统利用Co-60的gamma 射线(八十年代风靡国内的日本电视剧《血疑》中,女主人公大岛幸子正是遭受了Co-60的辐射而引起健康上的悲剧) 那样杀敌一千、自损八百,无差别地杀死健康的细胞。这个技术设备现在已经被中科院近代物理所的朋友们国产化，社会效益当然非常好。
我们知道，辐照诱发生物突变。人们把核技术用于育种, 从各种变异品种中筛选遗传性稳定的优良品种。而重离子束是一种新兴的辐射诱变源,单位剂量的诱变效率比X 射线、γ射线和电子束等高一个量级。重离子束穿过生物介质时把能量沉积在径迹上, 引发DNA分子的损伤，具有很高的生物学效应。
图 我国的重离子辐照诱变育种主要处理水稻、小麦、高粱、玉米、药材、花卉和水果等。图源 | 中科院近代物理所
重离子束辐照诱变育种发展迅速，国内外获得了很多优良特性的植物突变体。我国的重离子辐照诱变育种主要处理水稻、小麦、高粱、玉米、药材、花卉和水果等, 创造了巨大的经济和社会效益。
总而言之，核科学绝对不是花瓶式的、少数学者的游戏，原子核科学有大用于民生。科学技术是第一生产力，用在原子核科学上是很恰当的。
如果有人对于原子核科学的应用产生兴趣，那么不妨在网上多搜罗一些原子核科学方面的介绍;而如果青年学生对此有兴趣，不妨多花一点时间阅读一些原子核科学的书籍，在认识原子核之美——复杂多变之美、条理简单之美、规则对称之美、精微玄妙之美、苍茫壮丽之美、和而不同之美、民生大用之美——的基础上，学习原子核基础理论和实验技术，投身于人类社会科学技术进步的洪流中，并为强我中华而努力!
