DISLab与原子物理实验教学

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1、DISLab与原子物理实验教学DISLab的研究与开发（6）近半个世纪以来，原子物理的研究突飞猛进，在现代科学技术发展中的作用日益显著，其理论的演进和实验探索已经成为物理学令人激动的前沿，越来越多的新产品、新技术及新工艺均有赖于这个学科的有力推进。与学科的重要性形成鲜明对比的，是长期以来我国物理教育对原子物理教学的淡化、弱化倾向。导致这一现象的原因当然相对复杂，但不可否认实验手段更新缓慢在很大程度上拖了教学的后腿。为贯彻国家新一轮课程教材改革的主旨，上海二期课改物理教材的设计中增加了原子物理的比重，不仅使物理学的学科体系构成更趋于均衡，而且为物理教材增添了现代科

2、学技术的气息，充分体现了“科学－技术－社会”的理念。而为教材提供技术支撑的，就是DISLab的新型传感器——G-M（盖革计数）传感器。1、DISLabG-M传感器图1DISLabG-M（盖革计数）传感器的核心器件是G-M计数管（图1）。计数管为一充有低压气体的密封玻璃管。当一个带电粒子或一个γ光子进入管内，即可使气体电离，从而在电路中形成一个脉冲。单位时间内的脉冲数，称为计数率（通常用每分钟的脉冲数cpm来表示）。从计数率可估算放射性的强度。放射源辐射强度定义为单位时间内放射源的衰变数。可用G-M计数管所产生的脉冲来测量放射源的衰变计数率N。一般情况下，计数率N

3、和放射源强度N0之间存在着线性关系：N=ηN0，即放射源的辐射强度和G-M计数率呈正比。公式中η表示放射源发出一个粒子引起传感器产生脉冲计数的概率，称为总计数效率。η10与G-M计数管的型号、位置、转换效率等因素有关，是一个实验参数，很难由计算确定，因此无法由公式简单地确定放射源的绝对强度。但在相同的测试条件下，可认为η不变，根据公式可计算出不同放射源之间的相对强度。图2DISLabG-M传感器的外观见图2，壳体上凹进的斜面部分为G-M计数管的安装位置，使用时须将放射源靠近该部分。由于放射性测量实验的特殊性，上海市中小学数字化实验系统研发中心专门开发了针对DIS

4、LabG-M传感器的专用软件。该专用软件的界面设置说明见图3。：脉冲显示声响提示警示区本底区报警区历史记录倒计时器（分钟）每分钟脉冲数（cpm）从“0”开始记录脉冲返回实验菜单停止记录脉冲图3根据实验要求，在图3所示的软件界面之中，DISLabG-M传感器的测量结果——10计数率是以直方图（柱状图）的形式体现的，每分钟的计数率对应一个直方图，在当前分钟内直方图随着计数率的累计呈现动态增长，模拟的60秒倒计时钟强化了学生对于计数率时间单位的认识。将光标移到某个直方图上，可以得到对该直方图对应的计数率的数字提示。为更清晰、生动地记录每次脉冲的产生，软件中提供了模拟的

5、脉冲发光显示和声响提示，学生仅通过观察小红点的闪烁或听“嘀嘀”声，就可以断定当前脉冲的疏密多寡。根据计数率的高低，软件界面划分为“本底区”（绿色）、“警示区”（黄色）和“报警区”（红色）三个部分。直方图的高度达到哪个区域，即表征着目前的辐射处于何种水平。若使用弱放射源（如汽灯纱罩）进行实验，可观察到计数率直方图通常超出本底区而上升到处于绿色和黄色之间的灰色区域，这说明虽然有放射性存在，但对人体仍然是安全的。软件界面显示区域内保留了15分钟的历史纪录，并且可以给出自点击“开始记录”以来，传感器累计工作时间及计数率的累计数。宇宙射线和地壳中的放射性物质食物、动植物（

6、含人体）建筑材料其他图42、本底计数率测量打开DISLabG-M传感器，可以观察到即使附近没有放射源，也显示很低的计数率，此为本底计数率。本底计数率产生的原因是穿透大气层到达地面的宇宙射线（β和γ射线），以及地壳中的少量放射性物质激发G-M计数管产生的脉冲。本底计数率的来源见图4。正常情况下，本底计数率约为20cpm左右（上海地区数据）。移动光标，自动提示某分钟的计数率平均计数率：1340÷71＝18.9／分钟图5实验中，将DISLabG-M传感器放置在远离放射源的位置，点击“开始记录”。当观察到小红点的闪烁或听到“嘀嘀”声时，就表明DISLab10G-M传感器

7、记录下了射线粒子脉冲。随着倒计时钟指针的改变，可观查到当前分钟的计数率直方图在逐渐增高。一分钟结束后，该直方图自动左移，新的直方图开始生成。连续记录一段时间（半小时～一小时），根据累计计数率计算平均计数率，即获得测量期内本底计数率与当地历史纪录的比较（图5）。从实验可见，即使实验条件相同，每一分钟的计数率都各不相同。但经过统计分析发现，尽管计数率每分钟都在变化，有时差别很大，但均围绕一个平均值涨落。可见导致计数率产生的放射性现象存在随机性，这也是放射性衰变的重要特征。3、常用放射源的计数率测量AB图6常用教学放射源包括威尔逊云室配套放射源（图6A）和汽灯纱罩（图

8、6B）。威尔逊云室配套的