通過相對論教學實驗儀建構學生核安全意識

麻煥鋒，崔方敏，陳倩倩，李文晶，師靜利

(商丘師范學院，河南 商丘　476000)

?

通過相對論教學實驗儀建構學生核安全意識

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”。如何在教學中利用近代物理實驗中有關放射性的實驗設備，使學生通過親身實驗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的相互作用，是學生在專業(yè)書面知識學習之外的另一種收獲。一方面學生可以加強自身科學素養(yǎng)，建立良好的關于輻射安全的安全意識，另一方面使學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院物理與電氣信息學院的實驗教學實踐活動，在“用快速電子驗證相對論效應”的實驗中通過拓展實驗加深學生對放射性的了解，理解核輻射物理本質，培養(yǎng)有關核物理知識的科學素養(yǎng)。

關鍵詞：談核色變；放射性；核輻射；阻止本領

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)地或在人工誘導作用下放射出α射線、β射線和γ射線，有時還放出中子。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]。有的放射性物質是天然的，存在自然界，而另外一部分則是人工制造的。其實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]。

國際原子能機構根據(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；屬于極危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾分鐘到1小時就可致人死亡。

2類放射源；屬于高危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾小時至幾天可以致人死亡。

3類放射源；屬于中危險源。沒有防護情況下，接觸這類源幾小時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放射源。

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

5類放射源；屬于極低危險源。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濟中有著重要地位，在我國的使用也得到了較快的發(fā)展。隨著放射性物質被越來越廣泛的應用，放射性問題日益受到關注。因此在對待放射源問題上我們應該加強和完善放射源安全管理法規(guī)和標準，同時提高相關工作人員的科學安全文化素養(yǎng)[4]。

2相對論效應實驗儀裝置

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

實驗使用的RES-99型相對論效應實驗譜儀，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(強度≈1毫居里)，定標用γ放射源137Cs 和60Co(強度≈2微居里)；③ 200 μm Al窗NaI(Tl)閃爍探頭；④ 數(shù)據(jù)處理計算軟件；⑤ 高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器。其結構示意圖如圖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源。

3放射性的特點

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

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

γ射線的本質是光子流，是原子核能級躍遷時釋放出的高能電磁波，其波長小于0.01埃(?)，有很強的穿透力。n流的本質是中子流，是核裂變時放出的高速中子流，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；有機玻璃、鋁等材料可有效阻擋β射線；γ射線穿透能力較強，可以用混凝土、鉛等阻擋；中子射線需用石蠟等輕質材料來阻擋[2]。當了解放射源的本質后，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射線與物質相互作用

對于放射粒子與物質相互作用，我們將通過對單能電子阻止本領的測量來了解高速帶電粒子與物質相互作用的規(guī)律，加深對其作用機制的認識。放射產生的高速粒子進入任何一種介質后，將立即與介質原子發(fā)生相互作用而損失能量。高速粒子在介質中的運動過程，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，稱為介質對帶電粒子的線性阻止本領(簡稱“阻止本領”，Stopping Power)，它是研究帶電粒子與物質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，形成一個連續(xù)譜[5]。

圖1　RES-99型相對論效應實驗譜儀結構示意圖

由圖1可知，放射源90Sr-90Y放射出的高速β粒子垂直進入均勻磁場B后在洛倫茲力的作用下作圓周運動。其動量p=eBR(B 為磁感應強度；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，這種裝置也起到一個速度選擇器的作用，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。首先利用兩個定標源：60Co的兩個光電峰(對應能量1.17MeV 和1.33MeV),以及137Cs能譜的光電峰(對應能量0.662MeV)和反散射峰(對應能量0.184MeV)對閃爍探測器和多道分析器進行能量標定，確定各峰位對應的多道分析器道數(shù)和粒子能量的關系[3]。然后我們可以根據(jù)標定結果，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，我們在第6出口處，在相同的計數(shù)時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，粒子能量峰的峰位對應的道數(shù)與計數(shù)小，半高寬大。這說明，單能電子在穿過空氣的時候，能量既減小，強度也減弱。實踐證明，本實驗可以讓學生比較直觀地認識單能電子與物質的相互作用規(guī)律及其差異。學生可以清楚地看出，β射線穿過物質時不僅存在電子個數(shù)的減少，還發(fā)生電子能量(對應峰位道數(shù)減小)的損失。

為進一步了解物質對于β粒射線的阻止本領，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間內測量出來的能譜圖。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

學生在實驗中，通過對單能電子阻止本領的測量，對帶電粒子與物質相互作用的規(guī)律有了感性的認識；同時，在實驗過程中，對近代物理中核物理教學實驗的基本儀器、實驗方法、數(shù)據(jù)處理有了一定了解?？傊搶嶒炦_到了較好的教學效果。學生們通過實驗獲得的比書本教學更為形象直觀，同時也有更為深刻的認識。

5γ射線在物質中吸收

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

Ix=I0e-μx

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

圖4　鉛對于γ射線的吸收系數(shù)和能量關系示意圖

為進一步了解γ射線在穿透物質時與物質的相互作用，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驗裝置帶的鋁片作為吸收片，在相同時間內測其全能峰與厚度之間的關系。圖5為其實驗中測得的示意圖。

圖5　γ射線的接收峰隨厚度變化的關系示意圖

從圖5可以明顯看出隨著鋁板的增加，在相同時間內探測器接收到的γ粒子數(shù)目(強度)在逐次下降，但是其峰值位置幾乎不變。這實驗表明當γ射線穿過物質時，其強度逐步減弱，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)為強度)減少，但是穿透過去的γ粒子能量保持不變。

6結語

當前，能源已經成為我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素。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)實途徑。但是由于公眾對于核能的種種不清晰的認識導致談核色變。通過近代物理實驗中放射源放射性能的實踐，使學生比較直觀了解到放射射線與物質的相互作用規(guī)律，當β粒子穿過物質時，其粒子數(shù)和能量都有不同程度減小。而γ射線穿過物質時，表現(xiàn)為粒子數(shù)的減少，能量基本不變。學生可以通過實驗了解比書本更為形象直觀深刻的認識，將有助于學生理性的對待核輻射和核安全。

參考文獻：

[1]唐方東.放射性(核輻射)及度量[J].上海計量測試,2011(2):53-54.

[2]任長順.加強放射源管理營造安全的環(huán)境[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2005(2):47-49.

[3]劉華,趙永明,潘蘇，等.放射源安全管理現(xiàn)狀及對策[J].輻射防護,2002,22(5):271-276.

[4]潘自強.放射源安全管理中的一些問題的討論[J].輻射防護,2010,22(5):257-262.

[5]王鳳.β射線在鋁膜中的吸收研究[J].大學物理實驗，2013，26(3)：6-9.

[6]陳玲燕,顧牧,秦樹基，等.相對論效應實驗譜儀的系列教學實驗[J].物理實驗,2000,22(5):3-5.

[7]苗琦,王明東,楊曉段，等.β粒子驗證相對論動量-能量關系實驗中單能電子阻止本領的研究[J].物理與工程,2009,19(4):20-23.

[8]劉圣康,王世亨,林家彬，等.γ透射法測管道油垢厚度響應的寬束影響[J].同位素,2014,17(4):222-224.

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

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.036

文章編號：1007-2934(2016)01-0133-04

基金項目：國家自然科學基金 (11247295)；商丘師范學院教改項目(2014jgxm29 and No.2014jgxm48)；商丘師范學院2014年大學生創(chuàng)新訓練計劃立項項目(2014-DCJHX-022)

收稿日期：2015-09-21