通过相对论教学实验仪建构学生核安全意识

麻焕锋，崔方敏，陈倩倩，李文晶，师静利

(商丘师范学院，河南 商丘　476000)



通过相对论教学实验仪建构学生核安全意识

麻焕锋，崔方敏，陈倩倩，李文晶，师静利

(商丘师范学院，河南 商丘476000)

摘 要：对于放射性、核辐射，人们几乎可以说“谈核色变”。如何在教学中利用近代物理实验中有关放射性的实验设备，使学生通过亲身实验和切身体会感受放射性对于周围环境的影响，以及各种射线同物质的相互作用，是学生在专业书面知识学习之外的另一种收获。一方面学生可以加强自身科学素养，建立良好的关于辐射安全的安全意识，另一方面使学生知道放射源并不可怕，对放射源无端的恐惧是没有必要的。本文基于商丘师范学院物理与电气信息学院的实验教学实践活动，在“用快速电子验证相对论效应”的实验中通过拓展实验加深学生对放射性的了解，理解核辐射物理本质，培养有关核物理知识的科学素养。

关键词：谈核色变；放射性；核辐射；阻止本领

1放射性和放射源

放射是一种自然物理现象，是一些元素的原子核自发地或在人工诱导作用下放射出α射线、β射线和γ射线，有时还放出中子。在已发现的100多种元素中，约有2 600多种核素，其中稳定性核素仅有280多种[1]。有的放射性物质是天然的，存在自然界，而另外一部分则是人工制造的。其实在人类生活周围处处存在放射性，食物、水、房子、物品、天空、大地、山川草木甚至人的身体本身都有一定的放射性。人们受到的放射性照射大约有82%来自天然环境，大约有17%来自医疗诊断，而来自其他活动大约只有1%[1-2]。

国际原子能机构根据放射源对人体可能的伤害程度,将放射源分为5类[3]：

1类放射源；属于极危险源。没有防护情况下，接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡。

2类放射源；属于高危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时至几天可以致人死亡。

3类放射源；属于中危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至几周也可致人死亡。

上述三类放射源为危险放射源。

4类放射源；属于低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤。

5类放射源；属于极低危险源。不会对人造成永久性损伤。

放射性由于其特殊的作用在国民经济中有着重要地位，在我国的使用也得到了较快的发展。随着放射性物质被越来越广泛的应用，放射性问题日益受到关注。因此在对待放射源问题上我们应该加强和完善放射源安全管理法规和标准，同时提高相关工作人员的科学安全文化素养[4]。

2相对论效应实验仪装置

商丘师范学院物理与电气信息学院采用的实验装置是同济大学物理系近代物理实验室在1986年研制成功“用快速电子验证相对论效应”，作为一个综合型、研究型近代物理实验装置，RES-99型相对论效应实验谱仪可进行NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪、核衰变过程统计规律研究、γ射线在物质中吸收系数的测量和屏蔽研究、验证快速电子的动量与动能的相对论关系、单能电子与物质相互作用等系列实验，还可以进行数据分析和处理[5]。该装置填补了国内相对论实验教学这一重要方面的空白，并于1990年获得第二届高校物理教学仪器优秀研究成果唯一的一等奖[6]。

实验使用的RES-99型相对论效应实验谱仪，主要由以下部分组成[7]：①真空、非真空半圆聚焦β磁谱仪；② β放射源90Sr-90Y(强度≈1毫居里)，定标用γ放射源137Cs 和60Co(强度≈2微居里)；③ 200 μm Al窗NaI(Tl)闪烁探头；④ 数据处理计算软件；⑤ 高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。其结构示意图如图1所示。这里特别说明90Sr-90Y，137Cs 和60Co均为三类以下放射源，属于前面讲到的低危险源。

3放射性的特点

关于放射性物质放射出来的α射线、β射线和γ射线(有时候还有n流)与物质的相互作用的效应和研究，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测与防护、核医学、核能与核技术应用等众多领域都有很重要的意义。而这种效应却并不被大多数人了解，这也是人们谈核色变的缘由之一。

α射线的本质是氦核流，由两个带正电的质子和两个不带电中子组成，整体带正电。β射线的本质是高速运动的电子流，其贯穿能力很强，电离作用弱。

γ射线的本质是光子流，是原子核能级跃迁时释放出的高能电磁波，其波长小于0.01埃(Å)，有很强的穿透力。n流的本质是中子流，是核裂变时放出的高速中子流，本身不带电，放射性看不见，摸不着，必须使用专门的仪器才能探测得到。不同的射线在物体中穿透能力也各有不同。一张厚纸可挡住α射线；有机玻璃、铝等材料可有效阻挡β射线；γ射线穿透能力较强，可以用混凝土、铅等阻挡；中子射线需用石蜡等轻质材料来阻挡[2]。当了解放射源的本质后，可以知道放射源本身并不可怕，因此，对于放射源无端的恐惧是毫无必要的，只要按照规程使用放射源，对人体基本是没有危害的。

4β射线与物质相互作用

对于放射粒子与物质相互作用，我们将通过对单能电子阻止本领的测量来了解高速带电粒子与物质相互作用的规律，加深对其作用机制的认识。放射产生的高速粒子进入任何一种介质后，将立即与介质原子发生相互作用而损失能量。高速粒子在介质中的运动过程，即是其逐步损失能量的过程。单位路径上带电粒子的能量损失，称为介质对带电粒子的线性阻止本领(简称“阻止本领”，Stopping Power)，它是研究带电粒子与物质相互作用的主要物理量，用(-dE/dx)表示[7]。由于β衰变中释放出的衰变能被发射角度任意的电子、反中微子和反冲核三者之间分配，所以电子的动能可以在零到衰变能Q之间变化，形成一个连续谱[5]。

图1　RES-99型相对论效应实验谱仪结构示意图

由图1可知，放射源90Sr-90Y放射出的高速β粒子垂直进入均匀磁场B后在洛伦兹力的作用下作圆周运动。其动量p=eBR(B 为磁感应强度；e为电子电量；R为轨道的半径)。从示意图中可以看出，不同动量的粒子从距放射源不同距离的位置射出磁场。此时，这种装置也起到一个速度选择器的作用，探测器探头在不同位置(不同Δx)，就可以得到一组不同能量的单能电子。

单能电子能量的测定是通过NaI(Tl)闪烁体探测器与多道分析器组成的能谱仪测得的。首先利用两个定标源：60Co的两个光电峰(对应能量1.17MeV 和1.33MeV),以及137Cs能谱的光电峰(对应能量0.662MeV)和反散射峰(对应能量0.184MeV)对闪烁探测器和多道分析器进行能量标定，确定各峰位对应的多道分析器道数和粒子能量的关系[3]。然后我们可以根据标定结果，通过道数得到高速电子的能量。

图2　抽气前后β粒子的能谱图

为了解空气对于单能电子的阻碍本领，我们在第6出口处，在相同的计数时间分别测得抽气前和抽气后电子的能谱图，图2为其示意图。从图中可知，未抽气时，粒子能量峰的峰位对应的道数与计数小，半高宽大。这说明，单能电子在穿过空气的时候，能量既减小，强度也减弱。实践证明，本实验可以让学生比较直观地认识单能电子与物质的相互作用规律及其差异。学生可以清楚地看出，β射线穿过物质时不仅存在电子个数的减少，还发生电子能量(对应峰位道数减小)的损失。

为进一步了解物质对于β粒射线的阻止本领，我们选取某一特定动量的电子束，即固定探测器接收器于某一固定的Δx处的出口，在多道脉冲分析器上观察出射电子的单能电子峰及出射电子与探测器之间插入厚度为T的薄箔后的能峰，我们采用探测器前插入厚度为200、300、400 μm的铝箔后所得单能电子的峰值，图3显示的是在不同厚度下相同时间内测量出来的能谱图。从图中可以看出随着铝箔厚度的增加，其峰高度下降且有展宽的趋势。

图3　β粒子能量峰值与铝箔厚度的变化

学生在实验中，通过对单能电子阻止本领的测量，对带电粒子与物质相互作用的规律有了感性的认识；同时，在实验过程中，对近代物理中核物理教学实验的基本仪器、实验方法、数据处理有了一定了解。总之，该实验达到了较好的教学效果。学生们通过实验获得的比书本教学更为形象直观，同时也有更为深刻的认识。

5γ射线在物质中吸收

与β射线的物质相互作用不同，当γ射线照射到物质之后，与物质作用的主要方式有光电效应、康普顿效应和电子对效应[8]。γ射线穿过物质时，由于这三种效应，其强度就会减弱。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即：

Ix=I0e-μx

其中，I0为入射γ射线强度，Ix为透射γ射线强度，x为γ射线穿透的样品厚度，μ为线性吸收系数，它是上述三种效应的线性吸收系数之和。图4给出了这三种效应在透过铅板时的示意图。

图4　铅对于γ射线的吸收系数和能量关系示意图

为进一步了解γ射线在穿透物质时与物质的相互作用，采用在137Cs源(利用其放出γ射线)和探测器之间分别放置若干的本实验装置带的铝片作为吸收片，在相同时间内测其全能峰与厚度之间的关系。图5为其实验中测得的示意图。

图5　γ射线的接收峰随厚度变化的关系示意图

从图5可以明显看出随着铝板的增加，在相同时间内探测器接收到的γ粒子数目(强度)在逐次下降，但是其峰值位置几乎不变。这实验表明当γ射线穿过物质时，其强度逐步减弱，和理论分析的按照指数减弱情形一致，峰值位置虽有减弱但是位置不变，表明穿透过去的γ粒子虽然数目(表现为强度)减少，但是穿透过去的γ粒子能量保持不变。

6结语

当前，能源已经成为我国国民经济可持续发展的一个制约因素。核能是一种安全和环境友好的能源，是我国能源可持续发展的重要组成部分，也是我国近期可规模发展的现实途径。但是由于公众对于核能的种种不清晰的认识导致谈核色变。通过近代物理实验中放射源放射性能的实践，使学生比较直观了解到放射射线与物质的相互作用规律，当β粒子穿过物质时，其粒子数和能量都有不同程度减小。而γ射线穿过物质时，表现为粒子数的减少，能量基本不变。学生可以通过实验了解比书本更为形象直观深刻的认识，将有助于学生理性的对待核辐射和核安全。

参考文献：

[1]唐方东.放射性(核辐射)及度量[J].上海计量测试,2011(2):53-54.

[2]任长顺.加强放射源管理营造安全的环境[J].辽宁城乡环境科技,2005(2):47-49.

[3]刘华,赵永明,潘苏，等.放射源安全管理现状及对策[J].辐射防护,2002,22(5):271-276.

[4]潘自强.放射源安全管理中的一些问题的讨论[J].辐射防护,2010,22(5):257-262.

[5]王凤.β射线在铝膜中的吸收研究[J].大学物理实验，2013，26(3)：6-9.

[6]陈玲燕,顾牧,秦树基，等.相对论效应实验谱仪的系列教学实验[J].物理实验,2000,22(5):3-5.

[7]苗琦,王明东,杨晓段，等.β粒子验证相对论动量-能量关系实验中单能电子阻止本领的研究[J].物理与工程,2009,19(4):20-23.

[8]刘圣康,王世亨,林家彬，等.γ透射法测管道油垢厚度响应的宽束影响[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

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.036

文章编号：1007-2934(2016)01-0133-04

基金项目：国家自然科学基金 (11247295)；商丘师范学院教改项目(2014jgxm29 and No.2014jgxm48)；商丘师范学院2014年大学生创新训练计划立项项目(2014-DCJHX-022)

收稿日期：2015-09-21