DISLab与原子物理实验教学

DISLab与原子物理实验教学DISLab的研究与开发（6）近半个世纪以来，原子物理的研究突飞猛进，在现代科学技术发展中的作用日益显著，其理论的演进和实验探索已经成为物理学令人激动的前沿，越来越多的新产品、新技术及新工艺均有赖于这个学科的有力推进。

与学科的重要性形成鲜明对比的，是长期以来我国物理教育对原子物理教学的淡化、弱化倾向。

导致这一现象的原因当然相对复杂，但不可否认实验手段更新缓慢在很大程度上拖了教学的后腿。

为贯彻国家新一轮课程教材改革的主旨，上海二期课改物理教材的设计中增加了原子物理的比重，不仅使物理学的学科体系构成更趋于均衡，而且为物理教材增添了现代科学技术的气息，充分体现了“科学－技术－社会”的理念。

而为教材提供技术支撑的，就是DISLab的新型传感器——G-M（盖革计数）传感器。

1、DISLab G-M传感器DISLab G-M（盖革计数）传感器的核心器件是G-M计数管（图1）。

计数管为一充有低压气体的密封玻璃管。

当一个带电粒子或一个γ光子进入管内，即可使气体电离，从而在图1电路中形成一个脉冲。

单位时间内的脉冲数，称为计数率（通常用每分钟的脉冲数cpm来表示）。

从计数率可估算放射性的强度。

放射源辐射强度定义为单位时间内放射源的衰变数。

可用G-M计数管所产生的脉冲来测量放射源的衰变计数率N。

一般情况下，计数率N和放射源强度N0之间存在着线性关系：N=ηN0，即放射源的辐射强度和G-M计数率呈正比。

公式中η表示放射源发出一个粒子引起传感器产生脉冲计数的概率，称为总计数效率。

η与G-M计数管的型号、位置、转换效率等因素有关，是一个实验参数，很难由计算确定，因此无法由公式简单地确定放射源的绝对强度。

但在相同的测试条件下，可认为η不变，根据公式可计算出不同放射源之间的相对强度。

DISLab G-M 传感器的外观见图2，壳体上凹进的斜面部分为G-M 计数管的安装位置，使用时须将放射源靠近该部分。

由于放射性测量实验的特殊性，上海市中小学数字化实验系统研发中心专门开发了针对DISLab G-M 传感器的专用软件。

该专用软件的界面设置说明见图3。

根据实验要求，在图3所示的软件界面之中，DISLab G-M 传感器的测量结果——计数率是以直方图（柱状图）的形式体现的，每分钟的计数率对应一个直方图，在当前分钟内直方图随着计数率的累计呈现动态增长，模拟的60秒倒计时钟强化了学生对于计数率时间单位的认识。

将光标移到某个直方图上，可以得到对该直方图对应的计数率的数字提示。

为更清晰、生动地记录每次脉冲的产生，软件中提供了模拟的脉冲发光显示和声响提示，学生仅通过观察小红点的闪烁或图 2：脉冲显示每分钟脉冲数（返回实验菜单停止记录脉冲图3听“嘀嘀”声，就可以断定当前脉冲的疏密多寡。

根据计数率的高低，软件界面划分为“本底区”（绿色）、“警示区”（黄色）和“报警区”（红色）三个部分。

直方图的高度达到哪个区域，即表征着目前的辐射处于何种水平。

若使用弱放射源（如汽灯纱罩）进行实验，可观察到计数率直方图通常超出本底区而上升到处于绿色和黄色之间的灰色区域，这说明虽然有放射性存在，但对人体仍然是安全的。

软件界面显示区域内保留了15分钟的历史纪录，并且可以给出自点击“开始记录”以来，传感器累计工作时间及计数率的累计数。

2、本底计数率测量打开DISLab G-M 传感器，可以观察到即使附近没有放射源，也显示很低的计数率，此为本底计数率。

本底计数率产生的原因是穿透大气层到达地面的宇宙射线（β和γ射线），以及地壳中的少量放射性物质激发G-M 计数管产生的脉冲。

本底计数率的来源见图4。

正常情况下，本底计数率约为20cpm 左右（上海地区数据）。

实验中，将DISLab G-M 传感器放置在远离放射源的位置，点击“开始记录”。

当观察到小红点的闪烁或听到“嘀嘀”声时，就表明DISLab G-M传感器记录下了射线粒子脉冲。

随着倒计时钟指针的改变，可观查到当前分钟的计数率直方图在逐渐增高。

一分钟结束后，该直方图自动左移，新的直方图开始生成。

连续记录一段时间（半小时～一小时），根据累计计数率计算平均计数率，即获得测量期内本底计数率与当地历史纪录的比较（图5）。

从实验可见，即使实验条件相同，每一分钟的计数率都各不相同。

但经过统计分析发现，尽管计数率每分钟都在变化，有时差别很大，但均围绕一个平均值涨落。

可见导致计数率产生的放射性现象存在随机性，这也是放射性衰变的重要特征。

3、常用放射源的计数率测量常用教学放射源包括威尔逊云室配套放射源（图6A ）和汽灯纱罩（图6B ）。

威尔逊云室配套的放射源是226Ra ，其表面有一层保护膜，使用可靠、安全。

普通汽灯的纱罩是用浸过具有硝酸钍Th(No 3)4（具有微弱放射性）的苎麻做成的。

灼烧后的灰烬含有99％的二氧化钍ThO 2。

实验时可将汽灯纱罩的灰烬用胶水粘合在火柴梗上，使之成为一个球状放射源。

也可以直接将未经灼烧的纱罩放在纸袋中作为微弱放射源使用。

使用威尔逊云室配套的放射源进行实验，可将放射源放置在距DISLab G-M 传感器约10cm 处，可以发现计数率比本底数显著增加（图7）。

此时的计数率减去本底数，就是该放射源的计数率。

使用汽灯纱罩做放射源，可发现计数率大大降低，但仍高于本底计数图7A B图6率（图8）。

由此可见，威尔逊云室放射源的放射性明显高于汽灯纱罩。

在此基础上，教师可鼓励学生针对他们所感兴趣的随身物品进行测量，如手机、手表、计算器等等，此举有助于学生强化放射性普遍存在的概念，了解安全的辐射范围，掌握放射性测量的基本手段。

4、验证放射性与距离的关系将汽灯纱罩灰烬作为放射源，分别置于距DISLab G-M 传感器4cm 、8cm 、12cm 处（图9），各测5分钟，计算其平均计数率，可知计数率随着距离的增加而降低（图10）。

大量实验数据显示，激励G-M 计数管产生脉冲的主要成分——γ射线的强度反比于距离的平方。

因此“远离放射源”是防辐射的最有效办法。

图8图95、放射性的屏蔽将威尔逊云室配套放射源置于距DISLab G-M 传感器10~15cm 处，分别将铁板、铜板、铅板插入放射源与传感器之间（图11），并测出各自的计数率。

实验表明：当插入铅板时，计数率明显降低，说明铅对放射线有屏蔽作用。

铅板越厚，屏蔽作用越大，当铅板具有一定厚度时，计数率可减少到本底计数率，即对放射线完全屏蔽（图12）。

放射源屏蔽的效果取决于放射源通常释放的三种射线——α射线、β射线和γ射线的特性。

三种射线的穿透能力各不相同。

一张纸就可以轻易阻挡α射线α射线β射线 γ射线纸铝铅图11（DISLab G-M 传感器封装在塑料壳内，不接收α射线引起的辐射）；但阻挡β射线就要用3mm 厚的铝板；γ射线的穿透能力最强，只有厚铅版能使之辐射强度减弱。

6、建筑材料放射性的测量建材中普遍含有一定量的放射性物质，在其衰变过程中，不断释放出α射线、β射线和γ射线，其中γ射线的穿透能力很强，对人体生理机能的影响也最显著。

如果建材中的放射性物质含量过高，经过较长时间的作用，会对人体造成辐射伤害。

近年来随着家居装修热潮的高涨和环保意识的增强，不断爆出某些装饰材料（花岗石、瓷砖等）放射性辐射伤人的新闻。

因此，借助DISLab G-M 传感器对身边的建筑材料（图14）进行放射性测量实验，不仅可以有效辅助课堂教学，更体现了“STS ”的理念，有助于我们对所处的辐射环境做出正确评价。

实验选择的建材包括大理石、花岗石、釉面砖和粘土空心砖等，均取自建材市场。

前两者为天然石料，后者两者为人工制品。

参照“常用放射源计数率测量”方法对上述三种建材的放射性进行测量之后，我们得到了以下测量结果。

图15为建材的放射性测量之前测得的本底计数率。

测量时间18分钟，共测得302个脉冲，平均计数率16.78cpm 。

该数据与之前测得的上海地区平均计数率相符。

图14随后，依次将黑白花花岗石、肉红色花岗石、粉红色釉面砖和粘土空心砖移至距DISLab G-M 传感器5mm 处，测量10~15分钟以上分别得到图16～19对应的实验结果。

记录并计算四种材料的计数率，得下表。

肉红色花岗石 粉红色釉面砖粘土空心砖18.12 17.6319.2实验数据显示，上述四种建材得计数率均略高于参照的本地计数率，但显著度不大，且均未超过20cpm 。

由此可见经过环境检测及其他相关部门得监督、监管，大多数建材均不存在放射性超标问题，可以放心使用。

该实验结果同时也验证了事先获得的一些背景材料：►颜色较淡的花岗石（黑白花花岗石属于此类）的放射性强度低于颜色较深的花岗石（肉红色花岗石属于此类）；►釉面砖作为工业化程度较高的人工建材，受到的环境质量监管程度高于普通粘土空心砖，其辐射安全性相对更有保证一些。

图18 图19图16图177、太阳活动与本底计数率变化的关系这一实验的基础建立在对本底计数率产生原因的合理分析和推断之上：既然本底计数率产生的主要原因是宇宙射线，而地球受到的宇宙射线又主要来自太阳辐射（太阳风），那么太阳的活动，如黑子、耀斑等势必会引起宇宙射线强度的变化，该变化应该能够通过本底计数率的变化体现出来。

事实上，国际天文和海事组织一直在密切关注着太阳这颗距离我们最近的恒星对地球的影响。

在发生了多次太阳辐射激增导致卫星失控、通讯中断甚至大型输变电设施事故之后，人们终于认识到了由太阳风主导的宇宙射线的威力。

引导学生根据太阳大约每11年出现一次活动高峰的规律，结合国际上针对太阳活动的短期预报，可选择太阳活动最猛烈的一段时期持续观察、记录本底计数率，并将其平均值与太阳活动平静期测得的本底计数率进行对比，不仅可以促进学生对有关放射性知识本身的深入了解，更能够通过多学科的综合有效地开阔学生的视野，将其置身于极为宏大的自然坐标系之中，激发起他们探索世界的无穷动力。

放射性观察和测定实验是将物理学由宏观、中观引入微观尺度的理想途径。

通过对放射性的验证，可以在了解放射性物质、裂变现象和高能粒子的基础上从根本上进一步深化对物质构成理论的认识，这对于促使中学生建立正确的物理思维体系是至关重要的，而且能够为其进一步深造奠定坚实的基础。

对物质构成传统的放射性探测仪器包括晶体闪烁计数器、G-M计数管和威尔逊云室等。

尽管上述仪器都成功地揭示了放射性的存在，但普遍存在设备维护保养不易、操作过程复杂等问题。

再加上仪器的灵敏度受限，不仅不易测出本底计数率，而且引发了另外一个倍受关注的问题——实验中需要配套较强的放射源，实验的安全性受到质疑。

DISLab G-M传感器选用了进口高精度G-M计数管，并将其与测量电路封装在体积不大的传感器外壳中，不仅使用方便，且保证了灵敏度，使用微弱放射源（如汽灯纱罩）即可获得显著的实验效果，而微弱放射源的安全性又消除了人们的质疑，使得放射性测量实验终于可以回到课堂。