物理学前沿简介

放射物理与防护绪论物理学是自然科学中基本的学科，是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。在尺寸标度上涉及从基本粒子到整个宇宙，在时间标度上从飞秒级的短寿命到宇宙纪元。物理学确立的新概念和理论，已经成为人类对周围世界认识的不可分割的部分，直接影响到社会生产和生活，对社会发展起着推动作用。一、物理学的发展纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。（一）物理学萌芽时期在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。那时，物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。在《墨经》中，有力的概念（“力，形之所以奋也”）的记述；光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。《墨经》上关于光学知识的记载就有八条。在古希腊的欧几里德（公元前450-380）等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。电磁学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。声学方面，由于音乐的发展和乐器的创造，积累了不少乐律、共鸣方面的知识。物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设。在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。例如，我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例。总之，从远古直到中世纪（欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪）末，由于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件并做了一些实验，但是这些都还称不上系统的自然科学研究。在这个时期，物理学尚处在萌芽阶段。此阶段著名物理学家：亚里士多德：亚里士多德反对原子论；不承认有真空存在；他还认为物体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止；还认为作自由落体运动的物体重的比轻的落得快。（二）经典物理学时期十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。整个十八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。新的科学思想、方法和理论，得到了传播、完善和扩展。牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。人们以力学的模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻于完善。由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据。此阶段著名物理学家：牛顿：数学：牛顿与莱布尼茨独立发展出了微积分学，并为之创造了各自独特的符号。根据牛顿周围的人所述，牛顿要比莱布尼茨早几年得出他的方法，但在1693年以前他几乎没有发表任何内容，并直至1704年他才给出了其完整的叙述。其间，莱布尼茨已在1684年发表了他的方法的完整叙述。

光学：牛顿认为光是由粒子或微粒组成的。力学：牛顿三大定律、万有引力定律等。晚年：晚年的牛顿在伦敦过着堂皇的生活，1705年他被安妮女王封为贵族。此时的牛顿非常富有，被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。他担任英国皇家学会会长，在他任职的二十四年时间里，他以铁拳统治着学会。没有他的同意，任何人都不能被选举。晚年的牛顿开始致力于对神学的研究，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，提出了“神的第一推动力”的理论。他说“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。1727年3月31日，伟大艾萨克•牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人—样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：“让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在”（三）现代物理学时期十九世纪末叶物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展，精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革，这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况。研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。在19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很有名的话，就是“19世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。这两朵乌云指什么呢，一个是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问；另外一个是关于黑体辐射的，谱形没有得到很好的解释。相对论和量子力学的建立，克服了经典物理

学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生了质的飞跃，改变了人们的物理世界图景。这是19世纪物理学家说的话，没有想到这就成为了20世纪物理学发展的序幕。第一朵乌云的驱散，导致了狭义相对论的诞生,另外一朵乌云的澄清。导致了量子力学诞生。这两朵乌云一澄清以后，物理学就有飞速发展。我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。狭义相对论之所以提出来，是针对光速测量产生的。当时有好多实验，有的证明了以太是静止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太是随着物质的运动而部分地带运动的。所以这个以太就成为了一个“谜”。爱因斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光源的速度是多少，观察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在运行。根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱因斯坦就提出了狭义相对论,这是人们对事件空间的观念的一个转变。在狭义相对论中发现,牛顿力学需要有修正。牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候，运动规律就有很大的修改。同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现，比如钟慢尺缩。20世纪另外一个重大的发现是量子力学,量子力学的发现是由于黑体辐射问题很难得到一个统一的解决而产生出的问题。这一件事情，当时有一个大物理学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态来出现,这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光的频率。这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外,还具有动量，这个动量就是普朗克常数h乘以振动频率再除以光速c。光子就不再简单看作电磁波的振动，也看作是粒子，这个粒子既有能量又有动量。后来康普顿和吴有训先生在实验上证明了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这

样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子；而普通称为粒子的电子，中子，质子，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的波粒二象性。这就是德布洛意子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成此阶段著名物理学家简介爱因斯坦(1879—1955)，1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍；1914年任柏林大学教授，1933年因受纳粹迫害而移居美国，1940年入美国国籍，1955年4月18日逝世。爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。然而就是这样一位光彩夺目的人物，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“心不在焉，想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理。数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的；而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”1955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲；那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。二、物理学在医学中的应用医学物理学可归纳为物理学应用的一个支脉，它是将物理学的理论、方法和技术应用于医学而形成的一门新兴边缘学科。换句话说，医学物理学系结合物理学、工程学、生物学等专业，应用于医学上，尤其是在放射医学或激光医学。因此，医学物理学也可与医学电子学（医学器材的研究）、生物医学工程学（工程原理应用于生物与医学），及保健物理学（分析、控制辐射伤害）等学科合作，共同促进医学与生物科技的进步。它的出现大大提高了医学教育水平，促进了临床诊断、治疗、预防和康复手段的改进和更新进程。其主要研究内容有：1、人体器官或系统的机能以及正常或异样过程的物理解释；2、人体组织的物理性质以及物理因子对人体的作用；3、人体内生物电、磁、声、光、热、力等物理现象的认识；4、物理仪器（显微镜、摄谱仪、X线机、CT、同位素和核磁共振仪等）和物理测量技术的医学应用。作为一个独立学科，它形成于本世纪五十年代，1974年国际医学物理组织（IOMP）成立，1986年医学物理分会以中国医学物理学会的名义加入国际医学物理组织。随着近代物理学和计算机科学的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科已愈来愈多地把他们的理论建立在精确的物理科学基础上，物理学的技术和方法，在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛。光学显微镜和X射线透视对医学的巨大贡献是大家早已热悉的。光导纤维做成的各种内窥镜已淘汰了各种刚性导管内镜，计算机和X射线断层扫描术(X—CT)、超声波扫描仪(B超)和核磁共振断层成像(MRI)、正电子发射断层显像术(PET)等的制成和应用，不仅大大地减少了病人的痛苦和创伤，提高了诊断的准确度，而且直接促进了现代医学影像诊断学的建立和发展，使临床诊断技术发生质的飞跃。物理学的每一新的发现或是技术发展到每一个新的阶段，都为医学研究和医疗实践提供更先进，更方便和更精密的仪器和方法。可以说，在现代的医学研究和医疗单位中都离不开物理学方法和设备，随着医学科学的发展，物理学和医学的关系必将越来越密切。物理学不仅为医学中病因、病理的研究和预防提供了现代化的实验手段，而且为临床诊断和治疗提供了先进的器械设备。可以说，没有物理学的支持，就没有现代医学的今天。1、 光学对医学的影响激光在医学上已广为应用，它是利用了激光在活体组织传播过程中会产生热效应、光化效应、光击穿和冲击波作用。紫外激光已用于人类染色体的微切割，这有助于探索疾病的分子基础。在诊断方面，随着各项激光光谱技术在医学领域运用研究的广泛开展，比如生物组织自体荧光、药物荧光光谱和拉曼光谱在癌肿诊断及白内障早期诊断等方面的研究正在发展之中。激光光学层析(断层)造影(OT)技术正在兴起，它是替代X—CT的新兴的医疗诊断技术。在治疗方面，激光手术已成为常用的实用技术，人们可选用不同波长的激光以达到高效、小损伤的目的。激光已用于心血管斑块切除、眼角膜消融整形、结石粉碎、眼科光穿孔、子宫肌瘤、皮肤痣瘤、激光美容和光动力学治癌(PDT)等方面。在诊断中使用的内窥镜如胃镜、直肠镜、支气管镜等，都是根据光在纤维表面多次发生全反射的原理制成的。医用无影灯、反光镜等也是利用光学原理制成的。近场光学扫描显微镜可直接在空气、液体等自然条件下研究生物标本等样品，分辨率高达20nm以上，已用于研究单个分子，有望在医学领域获得重要应用。利用椭圆偏振光可以鉴定传染病毒和分析细胞表面膜。全息显微术在医学上应用也很广泛。放射性对医学的影响2、 射线在医学领域应用极广，这是基于人体组织经射线照射后会产生某些生理效应。射线可通过反应堆、加速器或放射性核素获得。在病因、病理研究方面，利用放射性示踪技术，使现代医学能从分子水平动态地研究体内各种物质的代谢，使医学研究中的难题不断被攻破。例如弄清了与心血管疾病密切相关的胆固醇生物合成过程。现在放射性示踪已成为现代医学不可缺少的强大武器。放射性在临床诊断上的应用已很普及，例如X光机和医用CTo1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现X射线。X射线发现后仅3个月就应用于临床医学研究，X射线透视是根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。X射线透视机已成为医院的基本设备之。1972年英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔得(G.H.Hounsfield)在美国物理学家柯马克(A.M.Comack)1963年发表的数据重建图像数学方法的基础上，发明了X—CT,使医学影像技术发生重大变革。现在X-CT在全世界得到广泛应用，成为举世公认的重大科技成就。柯马克和洪斯菲尔得两人也因此获得1979年诺贝尔医学生理奖。X—CT是利用X射线穿透人体某层面进行逐行扫描，探测器测量和记录透过人体后的射线强度值，将这些强度值转换为数码信号，送进计算机进行处理，经过排列重建。在显示器上就能显示出该层面的“切片”图。使用X—CT装置，医生可以在显示器上看到各种脏器、骨骼形状和位置的“切片”，病变的部位、形状和性质在图像上清晰可见，大大提高了诊断的精度。X—CT的优越性在于它可以清晰地显示人体器官的各种断面，避免产生影像的重叠。X—CT具有相当高的密度分辨率和一定的空间分辨率，对脑瘤的确诊率可达95％。对腹部、胸部等处的肝、胰、肾等软组织器官是否病变有特殊功用，对于已有病变肿瘤的大小和范围显示也很清楚，在一定程度上X—CT还可以区分肿瘤的性质。目前，医用X—CT已成为临床医学诊断中最有效的手段之一。而正电子发射断层扫描(PET)是一种先进的核医学技术，它的分辨率高，用生理性核素示踪，是目前唯一的活体分子生物学显示技术，PET可以从生命本原一一基因水平作出疾病的早期珍断。PET不仅可生产放射性核素，还可用于肿瘤学、神经病学和心病学的研究，它可为病变的早期诊断、疗效观察提供可靠的依据。放射性在临床中主要用于癌肿治疗，针对对常规外科手术来说困难的疾病和部位（如脑瘤）而设计的粒子手术刀已得到了推广，其中常用的有X光刀和Y光刀。快中子、负n介子和重离子治癌也在进行，它们对某些抗拒Y射线的肿瘤有良好的效果，但是价格高昂，世界上已有许多实验室在