放射物理與防護緒論物理學是自然科學中基本的學科，是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科。在尺寸標度上涉及從基本粒子到整個宇宙，在時間標度上從飛秒級的短壽命到宇宙紀元。物理學確立的新概念和理論，已經成為人類對周圍世界認識的不可分割的部分，直接影響到社會生產和生活，對社會發展起著推動作用。一、物理學的發展縱觀物理學的發展史，根據它不同階段的特點，大致可以分為物理學萌芽時期、經典物理學時期和現代物理學時期三個發展階段。（一）物理學萌芽時期在古代，由于生產水平的低下，人們對自然界的認識主要依靠不充分的觀察，和在此基礎上進行的直覺的、思辨性猜測，來把握自然現象的一般性質，因而自然科學的知識基本上是屬于現象的描述、經驗的總結和思辨的猜測。那時，物理學知識是包括在統一的自然哲學之中的。在這個時期，首先得到較大發展的是與生產實踐密切相關的力學，如靜力學中的簡單機械、杠桿原理、浮力定律等。在《墨經》中，有力的概念（“力，形之所以奮也”）的記述；光學方面，積累了關于光的直進、折射、反射、小孔成像、凹凸面鏡等的知識。《墨經》上關于光學知識的記載就有八條。在古希臘的歐幾里德（公元前450-380）等的著作中也有光的直線傳播和反射定律的論述，并且對光的折射現象也作了一定的研究。電磁學方面，發現了摩擦起電、磁石吸鐵等現象，并在此基礎上發明了指南針。聲學方面，由于音樂的發展和樂器的創造，積累了不少樂律、共鳴方面的知識。物質結構和相互作用方面，提出了原子論、元氣論、陰陽五行說、以太等假設。在這個時期，觀察和思辨雖然是人們認識自然的主要手段和方法，但也出現了一些類似于用實驗來研究物理現象的方法。例如，我國宋代沈括在《夢溪筆談》中的聲共振實驗和利用天然磁石進行人工磁化的實驗，以及趙友欽在《革象新書》中的大型光學實驗等就是典型的事例。總之，從遠古直到中世紀（歐洲通常把五世紀到十五世紀叫做中世紀）末，由于生產的發展，雖然積累了不少物理知識，也為實驗科學的產生準備了一些條件并做了一些實驗，但是這些都還稱不上系統的自然科學研究。在這個時期，物理學尚處在萌芽階段。此階段著名物理學家：亞里士多德：亞里士多德反對原子論；不承認有真空存在；他還認為物體只有在外力推動下才運動，外力停止，運動也就停止；還認為作自由落體運動的物體重的比輕的落得快。（二）經典物理學時期十五世紀末葉，資本主義生產關系的產生，促進了生產和技術的大發展；席卷西歐的文藝復興運動，解放了人們的思想，激發起人們的探索精神。近代自然科學就在這種物質的和思想的歷史條件下誕生了。系統的觀察實驗和嚴密的數學演繹相結合的研究方法被引進物理學中，導致了十七世紀主要在天文學和力學領域中的“科學革命”。牛頓力學體系的建立，標志著近代物理學的誕生。整個十八世紀，物理學處在消化、積累、準備的漸進階段。新的科學思想、方法和理論，得到了傳播、完善和擴展。牛頓力學完成了解析化工作，建立了分析力學；光學、熱學和靜電學也完成了奠基性工作，成為物理學的幾門基礎學科。人們以力學的模型去認識各種物理現象，使機械論的自然觀成為十八世紀物理學的統治思想。到了十九世紀，物理學獲得了迅速和重要的發展，各個自然領域之間的聯系和轉化被普遍發現，新數學方法被廣泛引進物理學，相繼建立了波動光學、熱力學和分子運動論、經典電磁場理論等完整的、解析式的理論體系，使經典物理學臻于完善。由物理學的巨大成就所深刻揭示的自然界的統一性，為辨證唯物主義的自然觀提供了重要的科學依據。此階段著名物理學家：牛頓：數學：牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學，并為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述，牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法，但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容，并直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間，萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。

光學：牛頓認為光是由粒子或微粒組成的。力學：牛頓三大定律、萬有引力定律等。晚年：晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活，1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有，被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長，在他任職的二十四年時間里，他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意，任何人都不能被選舉。晚年的牛頓開始致力于對神學的研究，他否定哲學的指導作用，虔誠地相信上帝，埋頭于寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時，提出了“神的第一推動力”的理論。他說“上帝統治萬物，我們是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。1727年3月31日，偉大艾薩克?牛頓逝世。同其他很多杰出的英國人—樣，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著：“讓人們歡呼這樣一位多么偉大的人類榮耀曾經在世界上存在”（三）現代物理學時期十九世紀末葉物理學上一系列重大發現，使經典物理學理論體系本身遇到了不可克服的危機，從而引起了現代物理學革命。由于生產技術的發展，精密、大型儀器的創制以及物理學思想的變革，這一時期的物理學理論呈現出高速發展的狀況。研究對象由低速到高速，由宏觀到微觀，深入到廣垠的宇宙深處和物質結構的內部，對宏觀世界的結構、運動規律和微觀物質的運動規律的認識，產生了重大的變革。在19世紀末葉，有一個叫開爾文的物理學家，他當時有一個很有名的話，就是“19世紀的物理學，已經把所有的問題都解決了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上還有兩朵烏云”。這兩朵烏云指什么呢，一個是指當時對以太的存在性，光速跟以太有沒有關系的疑問；另外一個是關于黑體輻射的，譜形沒有得到很好的解釋。相對論和量子力學的建立，克服了經典物理

學的危機，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變，使物理學的理論基礎發生了質的飛躍，改變了人們的物理世界圖景。這是19世紀物理學家說的話，沒有想到這就成為了20世紀物理學發展的序幕。第一朵烏云的驅散，導致了狹義相對論的誕生,另外一朵烏云的澄清。導致了量子力學誕生。這兩朵烏云一澄清以后，物理學就有飛速發展。我可以簡要敘述一下狹義相對論的特點。狹義相對論之所以提出來，是針對光速測量產生的。當時有好多實驗，有的證明了以太是靜止不動的，還有的證明了以太是隨著物質的運動而運動的，也有一些證明是以太是隨著物質的運動而部分地帶運動的。所以這個以太就成為了一個“謎”。愛因斯坦就深入分析了這個問題，從一個科學實驗事實出發，實驗說光的速度和發光物質的運動狀態無關，也就是說光不論在什么地方發射，光源的速度是多少，觀察者，包括運動中的觀察者，永遠看到的是光的速度，大概是每秒30萬公里在運行。根據這樣一個奇怪的事情，再加上了空間是均勻的，各向同性的假定，愛因斯坦就提出了狹義相對論,這是人們對事件空間的觀念的一個轉變。在狹義相對論中發現,牛頓力學需要有修正。牛頓力學中的力等于動量對時間的微分，其中動量就是質量乘以速度，而相對論就是對這個動量作了修正，結果就是就是物體在低速運動的時候仍然符合牛頓力學的規律，而在速度很大，接近光速的時候，運動規律就有很大的修改。同時愛因斯坦的相對論還有一些很特殊性質的發現，比如鐘慢尺縮。20世紀另外一個重大的發現是量子力學,量子力學的發現是由于黑體輻射問題很難得到一個統一的解決而產生出的問題。這一件事情，當時有一個大物理學家叫做普朗克，他在1900年12月14日發表了一篇很重要的文章來解釋黑體輻射。普朗克引進了一個假說，也就是光的能量的傳播，不是連續的釋放和吸收，而是以一個一個光量子的形態來出現,這個光量子形態也就是普朗克常數乘以光的頻率。這個假說很好的解釋了黑體輻射問題。這是物理學中第一次引進了光能的吸收和釋放是不連續的概念。愛因斯坦進一步用普朗克假說解釋了光電效應，進一步愛因斯坦又提出光子除了具有能量之外,還具有動量，這個動量就是普朗克常數h乘以振動頻率再除以光速c。光子就不再簡單看作電磁波的振動，也看作是粒子，這個粒子既有能量又有動量。后來康普頓和吳有訓先生在實驗上證明了這樣一個光子打到電子以后，光子運動的頻率和運動方向都會發生改變，而這

樣一個改變的后果就象是光子作為一個具有確定動量的小球，打在一個靜止的電子上面，然后光子再通過彈性散射到另外一個方位上去，這樣的改變完全遵守牛頓力學中的彈性碰撞定律，這樣就讓人們看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，這就是波粒二象性。進一步，法國人德布洛意提出波粒二象性不僅是光子具有的，而是任何一種粒子都具有的。也就是光子看起來是波，其實也是粒子；而普通稱為粒子的電子，中子，質子，甚至分子，原子，這些看起來是粒子的也有波動性，因此他把光子的波粒二象性擴展成粒子的波粒二象性。這就是德布洛意子力學。量子力學出來以后，引起了人們對微觀世界認識的一場大革命。波假說。進一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的觀念更加普遍化，變成波假說。進一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的觀念更加普遍化，變成此階段著名物理學家簡介愛因斯坦(1879—1955)，1879年3月14日誕生在德國烏爾姆的一個猶太人家中。1894年舉家遷居意大利米蘭。1900年畢業于瑞士蘇黎世工業大學。1901年入瑞士國籍；1914年任柏林大學教授，1933年因受納粹迫害而移居美國，1940年入美國國籍，1955年4月18日逝世。愛因斯坦被認為是最富于創造力的科學家，他不但創立了相對論，還提出了光量子的概念，得出了光電效應的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本質，為量子力學的建立奠定了基礎。為此榮獲1921年度的諾貝爾物理學獎。同時，他還證明了熱的分子運動論，提出了測定分子大小的新方法。然而就是這樣一位光彩奪目的人物，愛因斯坦年幼時也未顯出智力超群，相反，到了四歲多還不會說話，家里人甚至擔心他是個低能兒。在整個中小學時代卻常常被斥為“生性孤僻、智力遲鈍”，“心不在焉，想入非非”。中學畢業前夕，校方甚至斷言他未來將“一事無成”，勒令他退了學。16歲那年，他以同等學歷報考大學，盡管物理。數學成績很好，但由于需要死記硬背的科目考砸了鍋，只得名落孫山。第二年進入大學后，他擅自“刷掉了”很多課程，只以“極大的興趣”去聽某些課和在家里自學。曾被數學教授稱為“懶狗”，曾因做實驗出事故受到處分，還曾被物理教授認為不適宜學物理而應當改行。大學畢業時幾位同窗好友都留校當了助教，他卻因得不到教授們的賞識而遭到了“畢業即失業”的命運。這種種親身經歷，使愛因斯坦對教育的總體印象一直不佳。正因為如此，成名后的愛因斯坦通過自身的體驗和長期的觀察，形成了一種與眾不同的教育觀點。“知識是死的；而學校卻要為活人服務。”這是愛因斯坦對于學校教育的基本看法。他反對把學校僅僅看做是傳授知識的工具，更反對把學生“當作死的工具來對待”。他認為：“學校的目的始終應當是：青年人在離開學校時，是作為一個和諧的人，而不是作為一個專家。”1955年4月18日因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。遵照他的遺囑，不發訃告，不舉行公開葬禮，不建墳墓，不立紀念碑。火化時按照他的書面遺囑：免除所有花卉布置以及所有音樂典禮。骨灰撒在永遠對人保密的地方，為的是不使任何地方成為圣地。遺囑執行者用歌德悼念席勒的詩結束了那樸素的葬禮：我們全都獲益不淺，全世界都感謝他的教誨；那專屬他個人的東西，早已傳遍廣大人群。他像行將隕滅的彗星，光華四射，把無限的光芒同他的光芒永相連結。他的主治醫生賀維博士認為如此偉大的大腦，應該進行研究，所以他便把愛因斯坦的大腦保留了下來，并切成200片帶走。但至今沒有結論。二、物理學在醫學中的應用醫學物理學可歸納為物理學應用的一個支脈，它是將物理學的理論、方法和技術應用于醫學而形成的一門新興邊緣學科。換句話說，醫學物理學系結合物理學、工程學、生物學等專業，應用于醫學上，尤其是在放射醫學或激光醫學。因此，醫學物理學也可與醫學電子學（醫學器材的研究）、生物醫學工程學（工程原理應用于生物與醫學），及保健物理學（分析、控制輻射傷害）等學科合作，共同促進醫學與生物科技的進步。它的出現大大提高了醫學教育水平，促進了臨床診斷、治療、預防和康復手段的改進和更新進程。其主要研究內容有：1、人體器官或系統的機能以及正常或異樣過程的物理解釋；2、人體組織的物理性質以及物理因子對人體的作用；3、人體內生物電、磁、聲、光、熱、力等物理現象的認識；4、物理儀器（顯微鏡、攝譜儀、X線機、CT、同位素和核磁共振儀等）和物理測量技術的醫學應用。作為一個獨立學科，它形成于本世紀五十年代，1974年國際醫學物理組織（IOMP）成立，1986年醫學物理分會以中國醫學物理學會的名義加入國際醫學物理組織。隨著近代物理學和計算機科學的迅速發展，人們對生命現象的認識逐步深入，醫學的各分支學科已愈來愈多地把他們的理論建立在精確的物理科學基礎上，物理學的技術和方法，在醫學研究和醫療實踐中的應用也越來越廣泛。光學顯微鏡和X射線透視對醫學的巨大貢獻是大家早已熱悉的。光導纖維做成的各種內窺鏡已淘汰了各種剛性導管內鏡，計算機和X射線斷層掃描術(X—CT)、超聲波掃描儀(B超)和核磁共振斷層成像(MRI)、正電子發射斷層顯像術(PET)等的制成和應用，不僅大大地減少了病人的痛苦和創傷，提高了診斷的準確度，而且直接促進了現代醫學影像診斷學的建立和發展，使臨床診斷技術發生質的飛躍。物理學的每一新的發現或是技術發展到每一個新的階段，都為醫學研究和醫療實踐提供更先進，更方便和更精密的儀器和方法。可以說，在現代的醫學研究和醫療單位中都離不開物理學方法和設備，隨著醫學科學的發展，物理學和醫學的關系必將越來越密切。物理學不僅為醫學中病因、病理的研究和預防提供了現代化的實驗手段，而且為臨床診斷和治療提供了先進的器械設備。可以說，沒有物理學的支持，就沒有現代醫學的今天。1、 光學對醫學的影響激光在醫學上已廣為應用，它是利用了激光在活體組織傳播過程中會產生熱效應、光化效應、光擊穿和沖擊波作用。紫外激光已用于人類染色體的微切割，這有助于探索疾病的分子基礎。在診斷方面，隨著各項激光光譜技術在醫學領域運用研究的廣泛開展，比如生物組織自體熒光、藥物熒光光譜和拉曼光譜在癌腫診斷及白內障早期診斷等方面的研究正在發展之中。激光光學層析(斷層)造影(OT)技術正在興起，它是替代X—CT的新興的醫療診斷技術。在治療方面，激光手術已成為常用的實用技術，人們可選用不同波長的激光以達到高效、小損傷的目的。激光已用于心血管斑塊切除、眼角膜消融整形、結石粉碎、眼科光穿孔、子宮肌瘤、皮膚痣瘤、激光美容和光動力學治癌(PDT)等方面。在診斷中使用的內窺鏡如胃鏡、直腸鏡、支氣管鏡等，都是根據光在纖維表面多次發生全反射的原理制成的。醫用無影燈、反光鏡等也是利用光學原理制成的。近場光學掃描顯微鏡可直接在空氣、液體等自然條件下研究生物標本等樣品，分辨率高達20nm以上，已用于研究單個分子，有望在醫學領域獲得重要應用。利用橢圓偏振光可以鑒定傳染病毒和分析細胞表面膜。全息顯微術在醫學上應用也很廣泛。放射性對醫學的影響2、 射線在醫學領域應用極廣，這是基于人體組織經射線照射后會產生某些生理效應。射線可通過反應堆、加速器或放射性核素獲得。在病因、病理研究方面，利用放射性示蹤技術，使現代醫學能從分子水平動態地研究體內各種物質的代謝，使醫學研究中的難題不斷被攻破。例如弄清了與心血管疾病密切相關的膽固醇生物合成過程。現在放射性示蹤已成為現代醫學不可缺少的強大武器。放射性在臨床診斷上的應用已很普及，例如X光機和醫用CTo1895年倫琴在研究稀薄氣體放電時發現X射線。X射線發現后僅3個月就應用于臨床醫學研究，X射線透視是根據不同組織或臟器對X射線的衰減本領不同，強度均勻的X射線透過身體不同部位后的強度不同，透過人體的X射線投射到照相底片上，顯像后就可以觀察到各處明暗不同的像。X射線透視可以清楚地觀察到骨折的程度、肺結核病灶、體內腫瘤的位置和大小、臟器形狀以及斷定體內異物的位置等。X射線透視機已成為醫院的基本設備之。1972年英國EMI公司的電子工程師洪斯菲爾得(G.H.Hounsfield)在美國物理學家柯馬克(A.M.Comack)1963年發表的數據重建圖像數學方法的基礎上，發明了X—CT,使醫學影像技術發生重大變革。現在X-CT在全世界得到廣泛應用，成為舉世公認的重大科技成就。柯馬克和洪斯菲爾得兩人也因此獲得1979年諾貝爾醫學生理獎。X—CT是利用X射線穿透人體某層面進行逐行掃描，探測器測量和記錄透過人體后的射線強度值，將這些強度值轉換為數碼信號，送進計算機進行處理，經過排列重建。在顯示器上就能顯示出該層面的“切片”圖。使用X—CT裝置，醫生可以在顯示器上看到各種臟器、骨骼形狀和位置的“切片”，病變的部位、形狀和性質在圖像上清晰可見，大大提高了診斷的精度。X—CT的優越性在于它可以清晰地顯示人體器官的各種斷面，避免產生影像的重疊。X—CT具有相當高的密度分辨率和一定的空間分辨率，對腦瘤的確診率可達95％。對腹部、胸部等處的肝、胰、腎等軟組織器官是否病變有特殊功用，對于已有病變腫瘤的大小和范圍顯示也很清楚，在一定程度上X—CT還可以區分腫瘤的性質。目前，醫用X—CT已成為臨床醫學診斷中最有效的手段之一。而正電子發射斷層掃描(PET)是一種先進的核醫學技術，它的分辨率高，用生理性核素示蹤，是目前唯一的活體分子生物學顯示技術，PET可以從生命本原一一基因水平作出疾病的早期珍斷。PET不僅可生產放射性核素，還可用于腫瘤學、神經病學和心病學的研究，它可為病變的早期診斷、療效觀察提供可靠的依據。放射性在臨床中主要用于癌腫治療，針對對常規外科手術來說困難的疾病和部位（如腦瘤）而設計的粒子手術刀已得到了推廣，其中常用的有X光刀和Y光刀。快中子、負n介子和重離子治癌也在進行，它們對某些抗拒Y射線的腫瘤有良好的效果，但是價格高昂，世界上已有許多實驗室在