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，变成此阶段著名物理学家简介爱因斯坦(18791955)，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