19.3 探测射线的方法

普通高中课程标准实验教科书—物理（选修3－5）[人教版]

第十九章 原子核

19.3 探测射线的方法

★新课标要求

1、知识与技能

（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。

2、过程与方法

（1）能分析探测射线过程中的现象；

（2）培养学生运用已知结论正确类比推理的能力。

3、情感、态度与价值观

（1）培养学生认真严谨的科学分析问题的品质；

（2）从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养学生建立事物是相互联系的唯物主义观点；

（3）培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。

教学重点：根据探测器探测到的现象分析、探知各种运动粒子。

教学难点

（1）探测器的结构与基本原理。

（2）如何观察实验现象, 并根据实验现象，分析粒子的带电、动量、能量等特性，从而判断是何种射线，区分射线的本质是何种粒子。

教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学用具：

（1）挂图，实验器材模型，课件等；

（2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

教学过程：

第三节 探测射线的方法

（一）引入新课

提问：前面我们学习了天然放射现象，知道了三种射线的本质。α、β、γ射线的本质是什么？各有那些特征？

通过学生回忆三种放射线的本质以及三种粒子的基本特征，既用引导新课，也为后分析探测器探测到的现象提供理论依据。放射线是看不见的，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。

（二）进行新课

阅读教材83页的第一部分，思考并讨论：放射线虽然看不见，但我们根据什么来探知放射线的存在呢？（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）这些现象主要有哪些呢？

（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；使照相底片感光；使荧光物质产生荧光） 学习三种核物理研究中常用的探测射线的方法。

1、威耳逊云室

阅读教材“威耳逊云室”部分的内容，并组织学生对课文内容进行讨论。

提问：

（1）构造是什么？

（2）基本原理是什么？

（3）怎样才能观察到射线的径迹？

威耳逊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）

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。 说明：这种云室是英国物理学家威耳逊（1869～1959）在1912年发明的，故叫做威耳逊云室。

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。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。

提示：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。

点评：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。

例1：在云室中，为什么α粒子显示的径迹直而粗、β粒子显示的径迹细而曲？

提示：因为α粒子带电量多，它的电离本领强，穿越云室时，在1cm 路程上能使气体分子产生104对离子，过饱和酒精蒸汽凝结在这些离子上，形成很粗的径迹. 且由于α粒子质量大，穿越云室时不易改变方向，所以显示的径迹很直。

β粒子带电量少，电离本领较小，在1cm 路程上仅产生几百对离子，且β粒子质量小，容易改变运动状态，所以显示的径迹细而弯曲。

2、气泡室

学生阅读课文，学习气泡室的基本原理。

提问：比较气泡室的原理同云室的原理。

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，而我们将有比用云室好得多的机会来摄取所寻找的事件。

3、盖革— 弥勒计数器

阅读教材“盖革—弥勒计数器”部分的内容，并组织学生对课文内容进行讨论。

提问：

（1）盖革— 弥勒计数管的构造如何？

管外面是一根玻璃管，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。

（2）盖革— 弥勒计数管的基本原理是什么？

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。

（3）G —M 计数器的特点是什么？

①G －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。

②G －M 计数器只能用来计数，而不能区分射线的种类。

③G －M 计数器不适合于极快速的计数。

④G －M 计数器较适合于对β、γ粒子进行计数。

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。

课后作业：本节课后问题与练习1、2、3