γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張義權(quán)

（南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023）

γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張義權(quán)

（南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023）

在仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中體會到，實(shí)物實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)的核心，而仿真實(shí)驗(yàn)是一種很好的替代和輔助手段，確立了仿真實(shí)驗(yàn)在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要地位。

γ能譜；仿真實(shí)驗(yàn)；近代物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

物理實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)造能力、科學(xué)思維方式及科學(xué)素質(zhì)的一種重要手段。物理實(shí)物實(shí)驗(yàn)使學(xué)生更加深入的理解物理理論，是理論教學(xué)必不可少的輔助手段。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)很好的一種輔助手段，仿真實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了［1］。與實(shí)物實(shí)驗(yàn)不同的是，仿真實(shí)驗(yàn)的每個實(shí)驗(yàn)步驟都是程序預(yù)先設(shè)計(jì)好的，實(shí)驗(yàn)中必須按實(shí)驗(yàn)步驟一步一步操作。如果上一步驟沒有操作正確，你是無法繼續(xù)下一步驟。因此，只要按其步驟進(jìn)行操作，最后都會得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2-3］。仿真實(shí)驗(yàn)對于快速的理解實(shí)驗(yàn)原理及操作規(guī)程具有很大的優(yōu)勢。但由于其預(yù)先設(shè)定好了實(shí)驗(yàn)步驟，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常變化不大，這不利于學(xué)生探索能力的培養(yǎng)。盡管仿真實(shí)驗(yàn)無法代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)，但由于其經(jīng)濟(jì)方便，很多學(xué)校都開設(shè)了仿真實(shí)驗(yàn)課。另外，有些實(shí)驗(yàn)的儀器非常昂貴，很多學(xué)校無法購買，仿真實(shí)驗(yàn)就是一種很好的替代手段。

1 教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

γ能譜是近代物理實(shí)驗(yàn)中一個非常重要的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中需要用到放射性元素137Cs和60Co。由于國家對放射性元素管理較嚴(yán)，現(xiàn)在有很多學(xué)校已不再購買此類放射性元素。因此，γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)就成為實(shí)物實(shí)驗(yàn)一種很好的替代手段。通過近幾年教學(xué)發(fā)現(xiàn)，γ能譜實(shí)驗(yàn)原理和操作過程相對較為復(fù)雜，部分同學(xué)很難快速的理解其實(shí)驗(yàn)原理，及操作方法。

1.1 γ能譜實(shí)驗(yàn)原理的講解

γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)原理較復(fù)雜。因而，在上課前要讓學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解相關(guān)理論知識。如，了解放射源137Cs和60Co的主要特性:①半衰期T1/2；②放出射線的種類，如α、β、γ；③每種射線對應(yīng)的能量分布；④射線的放射強(qiáng)度（專業(yè)名詞叫活度）等；熟悉光電效應(yīng)、康普頓散射及正負(fù)電子對效應(yīng)等理論。

在講解γ能譜與NaI晶體相互作用時，可先介紹一下熒光物質(zhì)的放光機(jī)理。當(dāng)光照射到熒光物質(zhì)后，光子與電子發(fā)生碰撞，把能量傳遞給電子，使其躍遷，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，就會向基態(tài)躍遷，進(jìn)而發(fā)出光。

通過上述分析可跟學(xué)生一起總結(jié)歸納得出如下結(jié)論，使物質(zhì)發(fā)光有不同的方法，而無論是光或電，甚至我們的物質(zhì)，都只是能量的一種表現(xiàn)形式，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。在我們實(shí)驗(yàn)里，γ粒子就是一種光子，只是其能量要遠(yuǎn)大于可見光的能量。因而，當(dāng)它照射到NaI晶體后，γ粒子就會其中的電子發(fā)生碰撞，在碰撞過程中，γ粒子把它的能量傳遞給電子，電子獲得能量后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷。由于電子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，在向基態(tài)躍遷的過程中發(fā)出光。γ粒子與NaI晶體中的電子相互作用主要有三種形式，一是光電效應(yīng)，γ粒子把它的所用能量給了電子，自己消失了；二是康普頓散射，γ粒子把它的一部分能量給了電子；三是產(chǎn)生正負(fù)電子對，當(dāng)γ粒子能量足夠大時，它就可以到達(dá)原子核附近，與原子核發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生正負(fù)電子對。

最后，通過單道（對應(yīng)能譜圖的橫坐標(biāo)-脈沖幅度）及計(jì)數(shù)器（縱坐標(biāo)-計(jì)數(shù)率）來測量出不同脈沖幅度所對應(yīng)的脈沖個數(shù)，進(jìn)而畫出能譜圖。在上課講解時，要結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器的各項(xiàng)功能來介紹實(shí)驗(yàn)原理，這樣效果更好。

最后，為了使學(xué)生能更加深入了解本實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生課后思考如下幾個問題:（1）NaI單晶γ閃爍譜儀的能量分辨率定義是什么？如何測量？能量分辨率與那些量有關(guān)？能量分辨好壞對我們有何意義？（2）為什么要測NaI單晶γ閃爍譜儀的線性？譜線線性主要與那些量有關(guān)？線性的好壞對我們有何意義？如何測譜儀的線性？（3）單晶γ閃爍譜儀的質(zhì)量指標(biāo)是什么？（4）解釋實(shí)驗(yàn)測得的137Cs γ射線能譜中全能峰、康普頓峰、反散射峰及X射線峰等的產(chǎn)生機(jī)制？

1.2 γ能譜實(shí)驗(yàn)操作技巧及注意事項(xiàng)

由于γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)軟件本身的缺陷，當(dāng)儀器調(diào)好后，使用右鍵選擇開始實(shí)驗(yàn)時，如果顯示錯誤信息，那必須把系統(tǒng)注銷后重新打開軟件再進(jìn)行操作，否則實(shí)驗(yàn)將無法進(jìn)行下去。為此，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，必須仔細(xì)檢查所有儀器是否已調(diào)整到位后，再點(diǎn)開始實(shí)驗(yàn)按鈕。

實(shí)驗(yàn)中放大器的調(diào)節(jié)是整個實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。放大器究竟調(diào)到多大，這決定于線性率表。線性率表中的那條豎線代表了γ能譜線中的縱坐標(biāo)，也就是計(jì)數(shù)率的大小。為了使最大的脈沖幅度小于10 V（單道儀器中閾值的最大值），必須通過放大器來調(diào)節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)中有兩種放射性元素137Cs和60Co，所以要使它們的最大脈沖幅度低于10 V。為此，我們可以先把閾值調(diào)到4 V，通過調(diào)節(jié)放大器使線性率表中光標(biāo)線最靠右。此時，幅度為4 V的脈沖對應(yīng)的就是137Cs的光電峰，這樣就能保證接下來需要測量的60Co的最大脈沖幅度不會大于10 V。在教學(xué)過程中，很多同學(xué)在調(diào)節(jié)放大器過程中很難使線性率表中的那條豎線最靠右。其原因是，在調(diào)節(jié)放大器過程中，必須保證每一個放大倍數(shù)都要調(diào)到。而有些同學(xué)沒有耐心，往往把放大倍數(shù)調(diào)過了。實(shí)驗(yàn)中必須注意，放大器粗調(diào)一格是10倍，而細(xì)調(diào)一格是0.1倍。另外，除了上述放大器的調(diào)節(jié)以外，實(shí)驗(yàn)中還必須注意，道寬要調(diào)為0.2 V，高壓須在700-750 V之間，計(jì)數(shù)器時間要設(shè)定為10秒鐘，計(jì)數(shù)方式設(shè)為半自動。

實(shí)驗(yàn)中閾值從0-10 V，每0.2 V調(diào)一次，每測一次記錄一次信息，整個實(shí)驗(yàn)有44組數(shù)據(jù)。當(dāng)測量到第26個數(shù)據(jù)時，軟件會彈出一個對話框，表示下面要測量60Co了。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，軟件會自動畫出γ能譜，從能譜中可以找到1和2號峰以及康普頓平臺，其出現(xiàn)的原因在實(shí)驗(yàn)原理里有詳細(xì)的闡述，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)報告中進(jìn)行詳細(xì)的說明。

2 結(jié) 論

通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生都能很好的完成整個實(shí)驗(yàn)過程，得到相應(yīng)的能譜圖，但也有少部分學(xué)生沒能在規(guī)定的時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。另外，有部分學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，對于其原理的理解還不夠透徹，這就失去了做本實(shí)驗(yàn)的意義。為此，在實(shí)驗(yàn)開始操作前，可以通過提問的方式，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)涵及其價值等。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)需要用到放射源137Cs和60Co，而對于放射源的保管則相當(dāng)繁瑣。因而，相比實(shí)物實(shí)驗(yàn)，γ能譜仿真實(shí)驗(yàn)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡單方便及容易操作。使用仿真實(shí)驗(yàn)大大降低了工作量，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，對于學(xué)生快速了解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容起到了很好的作用。通過仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，促進(jìn)了教師對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視和研究，提升了其前沿意識。但由于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一樣，實(shí)驗(yàn)中不會出現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中意想不到的結(jié)果和現(xiàn)象，因而，對于學(xué)生探索能力的培養(yǎng)不利。為此，仿真實(shí)驗(yàn)只能是實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一種很好的輔助手段，而不能取而代之。

［1］ 王曉蒲，霍劍青.大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)2.0 for Windows［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

［2］ 李麗華.近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014（1）:114-116.

［3］ 麻煥鋒，董若穎.拓展近代物理實(shí)驗(yàn)提高本科生創(chuàng)新意識［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（1）:120-121.Teaching Research on Simulation Experiment of γ Energy Spectrum

ZHANG Yi-quan
（Nanjing Normal University，Jiangsu Nanjing 210023）

By a comparison of real object experiment and simulated experiment，it is concluded that the former is a main teaching device in college physics teaching，while the latter is a good teaching technology replacing the teaching of real object experiment，and the important place in the teaching of physics experiment.

γ energy spectrum；simulated experiment；modern physics experiment；experimental teaching

G423

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.003

1007-2934（2015）01-0007-02

2014-09-26

國家自然科學(xué)青年基金（10704041）；江蘇省自然科學(xué)面上基金（BK2011778）