3　探测射线的方法教案2

3、探测射线的方法

教学目的

1．知道放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象．

2．知道用肉眼不能直接看到的放射线可以用适当的仪器探测到．

3．了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理．

教

具

多媒体教学台，实物投影仪．

教学过程

引入新课

前面我们学习了天然放射现象，知道了三种射线的本质．但是放射线看不见，我们是如何探知放射线的存在的呢？这节课，我们来学习几种常用的探测射线的方法．

【板书】第三节

探测射线的方法

进行新课

放射线虽然看不见，但我们可根据放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知放射线的存在．这些现象主要有：

1．使气体电离，这些离子可使过饱和汽产生云雾或使过热液体产生气泡；

2．使照相底片感光；

3．使荧光物质产生荧光．

下面我们学习三种核物理研究中常用的探测射线的方法．

引导学生阅读教材“威耳孙云室”部分的内容，并组织学生对课文内容进行讨论．

【板书】一、威耳孙云室

1．构造是什么？

2．基本原理是什么？

引导学生回答问题1，并进行补充评价．威耳孙云室主要部分是一个圆筒状容器，下部是一个可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹．室内由光源通过旁边的窗子照明．少量放射性物质(放射源)放在室内侧壁附近(或放在室外，让放射线从侧壁的窗口射入)．

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引导学生回答问题2，并注意结合以前学过的过饱和汽的知识，讲清云室实验的原理．

我们知道，水蒸气遇冷凝结，会形成很小的雾珠，这时它需要有凝结的核心．云和雾就是这样形成的．如果空气中没有任何尘埃或离子，水蒸气就是达到过饱和状态，也不能马上凝结．但是，如果这时由于某种原因在空气中产生了离子，那么过饱和的水蒸气就会以这些离子为核心立即凝结成雾珠．离子是看不见的，可是雾珠是看得见的，因此可以根据出现的雾珠来推测产生离子的情形．云室就是根据这个原理制成的．

实验时，先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态．这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴，这些雾滴沿射线经过的路线排列，于是就显示出了射线的径迹．这种云室是英国物理学家威耳孙(1869～1959)在1912年发明的，故叫做威耳孙云室．

注意向学生强调：在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射线粒子运动的径迹，而不是射线本身．

引导学生观察α、β射线在云室中的径迹，比较两种径迹的特点，并分析其原因．

α粒子的质量比较大，在气体中飞行不易改变方向，并且电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗．β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，且常常发生弯曲．γ粒子的电离本领更小，一般看不到它的径迹．

因此，我们根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质．把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，可以知道粒子所带电荷的正负；根据径迹的曲率半径的大小，还可以知道粒子的动量的大小．1972年我国云南宇宙射线实验站，就是利用建在3200米高山上的大型磁云室装置，发现了一个质量是十倍质子质量的重粒子．

【板书】二、气泡室

气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体(如液态

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氢)．

引导学生阅读课文，学习气泡室的基本原理．

控制气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点．当气泡室内压强降低时，液体的沸点变低，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成．

气泡室在观察比较稀少的碰撞事件时是有很大优点的．液体中原子挤得很紧，可以发生比气体中多得多的核碰撞，而观察者将有比用云室好得多的机会来摄取所寻找的事件．教材中图23－8为粒子经过气泡室时的径迹照片，教师可向学生进行简单说明．人们根据照片上记录的情况，可以分析出粒子的带电、动量、能量等情况．

引导学生阅读课本的“盖革—弥勒计数器”部分的内容，并组织学生进行讨论．

【板书】三、盖革—米勒计数器

1．盖革管的构造和基本原理是什么？

2．G—M计数器的基本原理及其特点是什么？

引导学生回答问题．计数器的主要部分是盖革管，如教材中图23－9所示．外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝．管中装有低压的惰性气体(如氩、氖等，压强约为10kPa～20kPa)和少量的酒精蒸气或溴蒸气．在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压(约1000V)，这个电压稍低于管内气体的电离电压．当某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场作用下向阳极加速运动．电子在运动中能量越来越大，达到一定值时，跟管中的气体分子碰撞，又使气体分子电离，再产生电子，新的电子又被电场加速，这样一连串地碰撞下去，就会引起雪崩似的电离．于是，一个射线粒子进入管中后经过一段很短时间，就会产生大量电子．这些电子到达阳极，正离子到达阴极(正离子由于质量大，运动较慢，在运动中不会再使气体分子电离)，在外电路中就产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．

这种仪器是德国物理学家盖革(1882～1945)在1928年与米勒(1911～1977)合作研制出来的，所以叫盖革—米勒(G—M)计数器．G—M计数器的放大倍数

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很大，非常灵敏，用它来检测放射性是很方便的．但它对于不同的射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，而不能区分射线的种类．如果同时有大量粒子，或两个粒子射来的时间间隔很短(小于200μs)时，也不能计数，即它不适合于极快速的计数．这种计数器适合于对β粒子和γ粒子进行计数．对α射线进行计数时，由于α射线的贯穿能力很小，不能通过玻璃管壁，所以需在管的前方装上一个很薄的云母片窗口，使α粒子从这个窗口射入，或把微弱的放射源放在管内．

另外，还有如闪烁计数器、乳胶照相、火花室和半导体探测器等探测器装置，利用这些装置能更精确地测定粒子的各种性质，感兴趣的同学可以查找这方面的资料阅读．

随着科学技术的发展，探测射线的手段不断改进，近年来，由于探测仪器大都和电子计算机直接连接，实现了对实验全过程电子计算机控制、计算、数据处理，已经使实验方法高度自动化．

巩固练习

1．云室利用的是射线的什么本领？云室里为什么是干净的空气？

2．在云室看到的径迹是射线本身吗？根据径迹，我们可以知道粒子的哪些性质？

3．为什么射线粒子进入盖革管中可以产生大量电子？

作业

1．复习本节课文．

2．查阅资料了解其他探测射线的方法．

参考题

1．放射线的粒子与其他物质作用时产生的主要现象有哪些？

2．威耳孙云室、气泡室的基本原理是什么？

3．盖革管的基本原理是什么？

4．G—M计数器的特点有哪些？

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参考答案

1．答：放射线的粒子与其他物质作用时产生的主要现象是：(1)使气体电离，这些离子可使过饱和汽产生云雾或使过热液体产生气泡；(2)使照相底片感光；(3)使荧光物质产生荧光．

2．答：威耳孙云室的原理是利用气体中的离子作为形成蒸气的凝结中心．当快速粒子穿过含有过饱和汽的气体空间时，在它的路程上产生许多离子，许多蒸气分子凝结在这些离子上，形成许多小液滴．这样，在粒子所飞过的轨道上形成一条狭窄的雾带状痕迹，叫做粒子的径迹．用很强的光从侧面照射，能够看到这种痕迹，也可以用照相机把它拍下．气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体．当射线粒子通过热液体时，在射线粒子周围有气泡形成．

3．答：盖革管的原理是某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中被加速，能量越来越大，电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离，产生电子……这样，一个射线粒子进入管中后可以产生大量电子．这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中就产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来．

4．答：G－M计数器的特点有：(1)G－M计数器放大倍数很大，非常灵敏，用它来检测放射性是很方便的．(2)G－M计数器只能用来计数，而不能区分射线的种类．(3)G－M计数器不适合于极快速的计数．(4)G－M计数器较适合于对β、γ粒子进行计数．

说明

1．本节所介绍的三种仪器是核物理研究中最基本、最常用的实验仪器，通过对仪器原理的介绍，应让学生知道，研究原子核变化中的微观现象，可以根据各种粒子产生的次级效应来进行观察和判断，进而了解核物理中这种研究问题的方法．教学中要注意渗透这一点．

2．教学中应注意结合以前学过的知识来帮助学生理解．如结合过饱和汽的知识，讲清云室的原理；结合电场的知识，讲清射线粒子进入盖革管中产生大量电子的过程．

3．教学中应注意引导学生阅读课文内容，组织学生对课文中的问题进行讨论，由学生自己解决一部分问题．教师可及时进行评价和补充，对难点和重点部分给以解释和强调．

4．教学中尽可能地做好演示实验，或者组织学生观看图片、实物、录像等．

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5．教学中注意培养学生的兴趣，鼓励学生阅读相关书籍和资料．下面介绍两种科学研究中常用的探测射线的方法，供读者参考．

乳胶照相

放射线能够使照相底片感光．放射线中的粒子经过照相底片上的乳胶时，使乳胶中的溴化银分解，经显影后，就有一连串的黑点显示出粒子的径迹．这些径迹可用显微镜来进行观察与测量，根据径迹的长短和形状，可以判断入射粒子的性质、种类和能量．乳胶的密度较大，粒子在乳胶中的射程约为空气的千分之一，因此容易看到径迹的全部．乳胶照相的主要优点是能够连续地工作，能够将入射粒子每个时刻的径迹都记录下来．并且，它体积小、轻便，并能将粒子的径迹永久地保存，常用于探测高能量粒子的性质．它的缺点是利用径迹来测量粒子的能量不够准确．现在使用较多的是核乳胶片，与一般的照相乳胶片相比，前者含的溴化银量多，颗粒细，分布均匀，并且乳胶层通常很厚，大约是5×10-3到1×10-1厘米．因此也能用来分析斜向射来的粒子的径迹．

闪烁计数器

这是记录单个粒子的最简单的方法，图23－1(a)表示闪烁计数器的剖面，图23－1(b)是它的外形图．A是尖端放有镭粒的针，B是硫化锌做成的荧光屏，C是放大率不大的显微镜．当硫化锌被快速粒子如α粒子撞击时，它吸收α粒子的能量，发出一次时间极短(约为10-6～10-9s)的闪光．α粒子投射到荧光屏上可在0.1毫米的范围内停止，放出的光能集中在很小的体积内，因此α粒子产生的闪烁用肉眼可以看得见．这样我们就能直接计算射到屏上的α粒子的数目，并确定它射在屏上的地方．近年来随着科学技术的发展，配合适当电子学的方法，可以进行自动计数．闪烁计数器的优点是设备简单、分辨时间短和效率高．闪烁法也适合于观察快速的β粒子．

课后作业：

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