一支上膛的枪可以造成严重的伤害。不过，虽然被子弹击中相当可怕，但其实我们每天都会被大自然的“子弹”击中。它就是电离辐射，包括放射性衰变产生的α、β和γ射线和X射线。我们被不同来源的辐射包围。举例来说，高能粒子会从外太空向我们袭来，撞上地球的大气层，引起宇宙粒子雨；香蕉中含有钾，它可以发生放射性衰变；另外还有从地表之下冒出来的氡气。我们将所有这些类型的辐射称为自然辐射。

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受损细胞

电离辐射穿过一种材料时会造成原子电离，这意味着它们携带的能量足够带走原子中的电子，并将它们变成带电离子。粒子探测器利用这一点来探测此种辐射，因为离子可以转化为电信号。如果电离辐射没有击中粒子探测器，而是击中了我们体内的生物细胞，那么其产生的离子会导致化学键断裂或发生有害的反应。损伤之后会发生什么情况，取决于损伤的类型和作用于你细胞的辐射剂量。辐射剂量看的是辐射在每单位质量中沉积的能量。如果辐射剂量不太高，特别是单位时间内的辐射剂量不高的话，我们身体的修复机制就可以修复损伤。

如果细胞的DNA受损，根据损伤严重性和辐射剂量，细胞可以修复DNA、突变或死亡。如果DNA得以修复，一切都会好起来。如果细胞死亡，结果也不会太糟糕，因为我们体内每分钟都有数百万个细胞死亡并被替换。如果DNA被损坏，没有完全修复，而是按照错误的“施工图纸”被更改，对细胞行为发出错误的指令，我们就称之为“突变”。在极少数情况下，突变导致的变化并不一定是坏事。在人类的进化过程中，这种情况发生过无数次。但大多数突变会带来退化；在最糟糕的情况下，突变的细胞会长成肿瘤，从而导致癌症。

20世纪初，人们开始意识到电离辐射的危害。X射线的使用在医学诊断领域变得相当普遍，因为它可以让人们深入了解人体。然而，大家意识到过高剂量的X射线辐射会带来不良影响，比如导致人们脱发，皮肤灼伤。现在我们已经知道，我们应该防止自己受到任何形式的不必要的电离辐射。

但我们能说电离辐射都是邪恶的，完全没有好处吗？想想看，我们用电离粒子枪来杀死身体里那些我们不太想要的细胞，比如肿瘤细胞。我们可以这样做吗？是的，可以！肿瘤细胞是我们绝对不想要的坏细胞。通过对它们进行高剂量的放射治疗，可以避免它们得到修复，从而将其清除掉。这种医疗方式被称为放射治疗（简称“放疗”），可以用来替代手术切除。

利用辐射对抗邪恶

早期通过辐射进行医疗的尝试始于X射线。20世纪50年代，X射线被钴或铯制成的人工放射性γ射线源所取代，而钴或铯是核反应堆中产生的。与X射线相比，这些源提供的能量更大，可以更深入地穿透人体组织。20世纪70年代，线性电子加速器可以产生非常高能的电子，然后，医院可以直接用电子或电子转化成的光子给病人进行放射治疗。这种直线加速器现在还在使用。有一点你要小心：应该受辐射的细胞周围都是你不想破坏的细胞。但电子和光子在组织中沉积的能量会随着深度的增加而成指数降低，这意味着大部分的能量都沉积在表面。但我们想辐射的细胞所在位置有一定的深度。我们通过烤香肠就能明白这个道理。如果我们把香肠放在烤架上，它的表面很快就会被烧焦，但中心仍然是冷的。麦克斯韦知道解决方案：旋转香肠！不过，在放射治疗过程中，旋转的不是病人，而是放射源（这样对病人来说更舒适）。通过对目标组织进行的全角度辐射，可以最大限度地减轻对外部健康组织的辐射，同时仍然有效地在组织的中心沉积了一些能量。这样做在很多情况下都是实用的，但不适用于所有情况。想象一下，如果有人大脑深处长了一个肿瘤呢？大脑太敏感，无法承受来自四面八方的辐射。外科手术也不可行。那么该怎么办？很长时间以来我们都没找到答案。但是后来物理学家和医生一起找到了解决方案。它是基于轻、重电离粒子在物质中沉积能量的不同方式而设计的方案。

就（标准放射治疗中的）电子和光子而言，它们沉积的能量在表面最大，随后逐渐减少；而较重的粒子，如质子，情况就不同了：这些粒子释放的能量主要不在表面，而在组织深处，其到达组织最深的一点被称为布拉格峰。

当物理学家要阻挡LHC加速器的质子束时，他们就将其射到一根7米长的碳圆柱体上，这个圆柱体被700吨的铁和混凝土包围着。传统的子弹造成的小洞会位于该障碍物的表面，而“质子束子弹”会卡在障碍物内部很深的地方，并在那里留下小洞。质子束卡在什么深度取决于布拉格峰的位置，而布拉格峰本身取决于质子的能量。现在回想一下大脑深处的肿瘤。通过使用质子或离子束，并仔细计算布拉格峰的位置，你可以在不损害大脑的情况下，仅仅对深处的肿瘤区域进行辐射。

医院中的粒子加速器

事实上，很多医院都是这样做的！这个领域的放射治疗也被称为粒子治疗，相当昂贵，也相当复杂；但对于许多病人来说，这是唯一的治疗方法。你确实需要自己的质子加速器，但幸好它不会是像LHC那样周长为27公里的大加速器，因为人的大脑没有700吨铅和混凝土那么硬。与电子和光子照射不同，质子和离子会将其能量沉积在一个界限明确的区域内。通过了解肿瘤的确切形状和位置，你可以通过用电磁铁偏转粒子束，在垂直于粒子束的平面上扫描肿瘤。同样的操作也可以应用于老式（非平面）电视屏幕中的电子束。我们甚至可以通过改变光束的能量来扫描深层组织。这样你就可以得到一个完整的3D模型，可以在不过分损害周围组织的情况下有针对性地辐射肿瘤。

越来越多的诊所建立了他们自己的粒子加速器，用电子、光子、质子和离子来治疗病人。这个例子给我们讲的是，原本除了获得有关物质结构的知识外没有任何其他目的的基本粒子研究，是如何在医疗应用领域开花结果的。物理学家、生物学家和医生仍在这个领域不断研究。目前他们正在研究的一种方法是反质子的辐射。除了质子的布拉格峰优势外，你还可以利用物质和反物质的湮灭会释放出额外能量这一效应，该效应可以加重（对坏细胞的）伤害，但粒子束更难控制。让我们看看未来会给我们带来什么！