麻煥鋒，崔方敏，陳倩倩，李文晶，師靜利

(商丘師范學(xué)院，河南 商丘　476000)

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通過相對論教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀建構(gòu)學(xué)生核安全意識

麻煥鋒，崔方敏，陳倩倩，李文晶，師靜利

(商丘師范學(xué)院，河南 商丘476000)

摘 要：對于放射性、核輻射，人們幾乎可以說“談核色變”。如何在教學(xué)中利用近代物理實(shí)驗(yàn)中有關(guān)放射性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使學(xué)生通過親身實(shí)驗(yàn)和切身體會感受放射性對于周圍環(huán)境的影響，以及各種射線同物質(zhì)的相互作用，是學(xué)生在專業(yè)書面知識學(xué)習(xí)之外的另一種收獲。一方面學(xué)生可以加強(qiáng)自身科學(xué)素養(yǎng)，建立良好的關(guān)于輻射安全的安全意識，另一方面使學(xué)生知道放射源并不可怕，對放射源無端的恐懼是沒有必要的。本文基于商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐活動，在“用快速電子驗(yàn)證相對論效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)中通過拓展實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對放射性的了解，理解核輻射物理本質(zhì)，培養(yǎng)有關(guān)核物理知識的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：談核色變；放射性；核輻射；阻止本領(lǐng)

1放射性和放射源

放射是一種自然物理現(xiàn)象，是一些元素的原子核自發(fā)地或在人工誘導(dǎo)作用下放射出α射線、β射線和γ射線，有時(shí)還放出中子。在已發(fā)現(xiàn)的100多種元素中，約有2 600多種核素，其中穩(wěn)定性核素僅有280多種[1]。有的放射性物質(zhì)是天然的，存在自然界，而另外一部分則是人工制造的。其實(shí)在人類生活周圍處處存在放射性，食物、水、房子、物品、天空、大地、山川草木甚至人的身體本身都有一定的放射性。人們受到的放射性照射大約有82%來自天然環(huán)境，大約有17%來自醫(yī)療診斷，而來自其他活動大約只有1%[1-2]。

國際原子能機(jī)構(gòu)根據(jù)放射源對人體可能的傷害程度,將放射源分為5類[3]：

1類放射源；屬于極危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾分鐘到1小時(shí)就可致人死亡。

2類放射源；屬于高危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)至幾天可以致人死亡。

3類放射源；屬于中危險(xiǎn)源。沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)就可對人造成永久性損傷，接觸幾天至幾周也可致人死亡。

上述三類放射源為危險(xiǎn)放射源。

4類放射源；屬于低危險(xiǎn)源。基本不會對人造成永久性損傷，但對長時(shí)間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷。

5類放射源；屬于極低危險(xiǎn)源。不會對人造成永久性損傷。

放射性由于其特殊的作用在國民經(jīng)濟(jì)中有著重要地位，在我國的使用也得到了較快的發(fā)展。隨著放射性物質(zhì)被越來越廣泛的應(yīng)用，放射性問題日益受到關(guān)注。因此在對待放射源問題上我們應(yīng)該加強(qiáng)和完善放射源安全管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提高相關(guān)工作人員的科學(xué)安全文化素養(yǎng)[4]。

2相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀裝置

商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院采用的實(shí)驗(yàn)裝置是同濟(jì)大學(xué)物理系近代物理實(shí)驗(yàn)室在1986年研制成功“用快速電子驗(yàn)證相對論效應(yīng)”，作為一個(gè)綜合型、研究型近代物理實(shí)驗(yàn)裝置，RES-99型相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀可進(jìn)行NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀、核衰變過程統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究、γ射線在物質(zhì)中吸收系數(shù)的測量和屏蔽研究、驗(yàn)證快速電子的動量與動能的相對論關(guān)系、單能電子與物質(zhì)相互作用等系列實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[5]。該裝置填補(bǔ)了國內(nèi)相對論實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一重要方面的空白，并于1990年獲得第二屆高校物理教學(xué)儀器優(yōu)秀研究成果唯一的一等獎(jiǎng)[6]。

實(shí)驗(yàn)使用的RES-99型相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀，主要由以下部分組成[7]：①真空、非真空半圓聚焦β磁譜儀；② β放射源90Sr-90Y(強(qiáng)度≈1毫居里)，定標(biāo)用γ放射源137Cs 和60Co(強(qiáng)度≈2微居里)；③ 200 μm Al窗NaI(Tl)閃爍探頭；④ 數(shù)據(jù)處理計(jì)算軟件；⑤ 高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這里特別說明90Sr-90Y，137Cs 和60Co均為三類以下放射源，屬于前面講到的低危險(xiǎn)源。

3放射性的特點(diǎn)

關(guān)于放射性物質(zhì)放射出來的α射線、β射線和γ射線(有時(shí)候還有n流)與物質(zhì)的相互作用的效應(yīng)和研究，在原子和原子核物理、固體物理、核輻射探測與防護(hù)、核醫(yī)學(xué)、核能與核技術(shù)應(yīng)用等眾多領(lǐng)域都有很重要的意義。而這種效應(yīng)卻并不被大多數(shù)人了解，這也是人們談核色變的緣由之一。

α射線的本質(zhì)是氦核流，由兩個(gè)帶正電的質(zhì)子和兩個(gè)不帶電中子組成，整體帶正電。β射線的本質(zhì)是高速運(yùn)動的電子流，其貫穿能力很強(qiáng)，電離作用弱。

γ射線的本質(zhì)是光子流，是原子核能級躍遷時(shí)釋放出的高能電磁波，其波長小于0.01埃(?)，有很強(qiáng)的穿透力。n流的本質(zhì)是中子流，是核裂變時(shí)放出的高速中子流，本身不帶電，放射性看不見，摸不著，必須使用專門的儀器才能探測得到。不同的射線在物體中穿透能力也各有不同。一張厚紙可擋住α射線；有機(jī)玻璃、鋁等材料可有效阻擋β射線；γ射線穿透能力較強(qiáng)，可以用混凝土、鉛等阻擋；中子射線需用石蠟等輕質(zhì)材料來阻擋[2]。當(dāng)了解放射源的本質(zhì)后，可以知道放射源本身并不可怕，因此，對于放射源無端的恐懼是毫無必要的，只要按照規(guī)程使用放射源，對人體基本是沒有危害的。

4β射線與物質(zhì)相互作用

對于放射粒子與物質(zhì)相互作用，我們將通過對單能電子阻止本領(lǐng)的測量來了解高速帶電粒子與物質(zhì)相互作用的規(guī)律，加深對其作用機(jī)制的認(rèn)識。放射產(chǎn)生的高速粒子進(jìn)入任何一種介質(zhì)后，將立即與介質(zhì)原子發(fā)生相互作用而損失能量。高速粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動過程，即是其逐步損失能量的過程。單位路徑上帶電粒子的能量損失，稱為介質(zhì)對帶電粒子的線性阻止本領(lǐng)(簡稱“阻止本領(lǐng)”，Stopping Power)，它是研究帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要物理量，用(-dE/dx)表示[7]。由于β衰變中釋放出的衰變能被發(fā)射角度任意的電子、反中微子和反沖核三者之間分配，所以電子的動能可以在零到衰變能Q之間變化，形成一個(gè)連續(xù)譜[5]。

圖1　RES-99型相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，放射源90Sr-90Y放射出的高速β粒子垂直進(jìn)入均勻磁場B后在洛倫茲力的作用下作圓周運(yùn)動。其動量p=eBR(B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；e為電子電量；R為軌道的半徑)。從示意圖中可以看出，不同動量的粒子從距放射源不同距離的位置射出磁場。此時(shí)，這種裝置也起到一個(gè)速度選擇器的作用，探測器探頭在不同位置(不同Δx)，就可以得到一組不同能量的單能電子。

單能電子能量的測定是通過NaI(Tl)閃爍體探測器與多道分析器組成的能譜儀測得的。首先利用兩個(gè)定標(biāo)源：60Co的兩個(gè)光電峰(對應(yīng)能量1.17MeV 和1.33MeV),以及137Cs能譜的光電峰(對應(yīng)能量0.662MeV)和反散射峰(對應(yīng)能量0.184MeV)對閃爍探測器和多道分析器進(jìn)行能量標(biāo)定，確定各峰位對應(yīng)的多道分析器道數(shù)和粒子能量的關(guān)系[3]。然后我們可以根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，通過道數(shù)得到高速電子的能量。

圖2　抽氣前后β粒子的能譜圖

為了解空氣對于單能電子的阻礙本領(lǐng)，我們在第6出口處，在相同的計(jì)數(shù)時(shí)間分別測得抽氣前和抽氣后電子的能譜圖，圖2為其示意圖。從圖中可知，未抽氣時(shí)，粒子能量峰的峰位對應(yīng)的道數(shù)與計(jì)數(shù)小，半高寬大。這說明，單能電子在穿過空氣的時(shí)候，能量既減小，強(qiáng)度也減弱。實(shí)踐證明，本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生比較直觀地認(rèn)識單能電子與物質(zhì)的相互作用規(guī)律及其差異。學(xué)生可以清楚地看出，β射線穿過物質(zhì)時(shí)不僅存在電子個(gè)數(shù)的減少，還發(fā)生電子能量(對應(yīng)峰位道數(shù)減小)的損失。

為進(jìn)一步了解物質(zhì)對于β粒射線的阻止本領(lǐng)，我們選取某一特定動量的電子束，即固定探測器接收器于某一固定的Δx處的出口，在多道脈沖分析器上觀察出射電子的單能電子峰及出射電子與探測器之間插入厚度為T的薄箔后的能峰，我們采用探測器前插入厚度為200、300、400 μm的鋁箔后所得單能電子的峰值，圖3顯示的是在不同厚度下相同時(shí)間內(nèi)測量出來的能譜圖。從圖中可以看出隨著鋁箔厚度的增加，其峰高度下降且有展寬的趨勢。

圖3　β粒子能量峰值與鋁箔厚度的變化

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，通過對單能電子阻止本領(lǐng)的測量，對帶電粒子與物質(zhì)相互作用的規(guī)律有了感性的認(rèn)識；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，對近代物理中核物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本儀器、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理有了一定了解?？傊?，該實(shí)驗(yàn)達(dá)到了較好的教學(xué)效果。學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)獲得的比書本教學(xué)更為形象直觀，同時(shí)也有更為深刻的認(rèn)識。

5γ射線在物質(zhì)中吸收

與β射線的物質(zhì)相互作用不同，當(dāng)γ射線照射到物質(zhì)之后，與物質(zhì)作用的主要方式有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)[8]。γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，由于這三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會減弱。γ射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即：

Ix=I0e-μx

其中，I0為入射γ射線強(qiáng)度，Ix為透射γ射線強(qiáng)度，x為γ射線穿透的樣品厚度，μ為線性吸收系數(shù)，它是上述三種效應(yīng)的線性吸收系數(shù)之和。圖4給出了這三種效應(yīng)在透過鉛板時(shí)的示意圖。

圖4　鉛對于γ射線的吸收系數(shù)和能量關(guān)系示意圖

為進(jìn)一步了解γ射線在穿透物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)的相互作用，采用在137Cs源(利用其放出γ射線)和探測器之間分別放置若干的本實(shí)驗(yàn)裝置帶的鋁片作為吸收片，在相同時(shí)間內(nèi)測其全能峰與厚度之間的關(guān)系。圖5為其實(shí)驗(yàn)中測得的示意圖。

圖5　γ射線的接收峰隨厚度變化的關(guān)系示意圖

從圖5可以明顯看出隨著鋁板的增加，在相同時(shí)間內(nèi)探測器接收到的γ粒子數(shù)目(強(qiáng)度)在逐次下降，但是其峰值位置幾乎不變。這實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度逐步減弱，和理論分析的按照指數(shù)減弱情形一致，峰值位置雖有減弱但是位置不變，表明穿透過去的γ粒子雖然數(shù)目(表現(xiàn)為強(qiáng)度)減少，但是穿透過去的γ粒子能量保持不變。

6結(jié)語

當(dāng)前，能源已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)制約因素。核能是一種安全和環(huán)境友好的能源，是我國能源可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，也是我國近期可規(guī)模發(fā)展的現(xiàn)實(shí)途徑。但是由于公眾對于核能的種種不清晰的認(rèn)識導(dǎo)致談核色變。通過近代物理實(shí)驗(yàn)中放射源放射性能的實(shí)踐，使學(xué)生比較直觀了解到放射射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，當(dāng)β粒子穿過物質(zhì)時(shí)，其粒子數(shù)和能量都有不同程度減小。而γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，表現(xiàn)為粒子數(shù)的減少，能量基本不變。學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)了解比書本更為形象直觀深刻的認(rèn)識，將有助于學(xué)生理性的對待核輻射和核安全。

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Cultivation of Nuclear Safety Awareness through Using Relativity Effect Spectrometer

MA Huan-feng,CUI Fang-min,CHEN Qian-qian,LI Wen-jing,SHI Jing-li

(Shangqiu Normal University,Henan Shangqiu 476000)

Abstract：About radiation,or nuclear radiation,it almost can be said that "Mention of Radioelement Terrible".Explorations of the use of relativity effect spectrometer in modern physics experiments in teaching could help students experiencing and being keenly aware of the influence of radiation on the environment,as well as the interaction between radiation and other matter.These are another kinds of learning besides the book knowledge.In this way,on the one hand,students can enhance their scientific literacy,establish good radiation safety consciousness,on the other hand,be aware of the radioactive source is nothing horrible.Thus,unwarranted fear of radioactive source is unnecessary.This paper is written based on the teaching practice of School of Physics and Electrical Information in Shangqiu Normal University,through the expanded experiments of vindicating the relativistic effect by using fast electronic,we expected to deepen students' understanding of radioactivity,to understand the physical essence of nuclear radiation and to foster the science literacy of nuclear physics.

Key words：mention of radioelement terrible；radioactivity；nuclear radiation；stopping power

中圖分類號：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.036

文章編號：1007-2934(2016)01-0133-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 (11247295)；商丘師范學(xué)院教改項(xiàng)目(2014jgxm29 and No.2014jgxm48)；商丘師范學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(2014-DCJHX-022)

收稿日期：2015-09-21