【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
【资料图】
第九章原子核的结构
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】
§9-1放射性的探测方法和探测器
【01】我们已经初步研究了原子的外层结构，在这一章里，将进一步来讨论原子核的结构。关于原子核的研究，应该说是从1896年发现了天然放射性时就开始的。虽然原子核的发现要比放射性元素的发现晚 15 年，但事实表明，物质的放射过程与原子核外电子重新分布的物理、化学条件的改变无关。有人曾经做过这样的实验，他把放射性物质加热到几千度的高温，并且加上数百个大气压的高压或者放在几千奥斯特的强磁场中，结果并没有发现它的放射过程有任何变化，这就是说，物质的放射过程是在原子的最内部——原子核里发生的。因此，对物质的放射性的研究，实质上就是对原子核蜕变过程的研究。
【02】在第八章里，我们已经对天然放射现象作了初步的介绍，现在就在它的基础上来研究各种放射性射线的性质和放射性元素的蜕变规律。
【03】要研究各种放射性射线的性质，首先必须了解探测各种放射性粒子的方法，包括探测它们的存在，辨别并测量它们的各种物理性质等。用来探测各种射线或粒子的仪器就叫做探测器。探测器的基本原理是利用这些射线与其他物质作用时所产生的一些特殊现象，研究这些现象就可以探测到射线或粒子的存在，辨别它们的性质。对于性质不同的探测工作，所用的探测器也不同；探测器的种类很多，这里只简单介绍几种常用的探测方法和相应的探测器。
1、观察射线或粒子在一定物质中的径迹，从而探测其物理性质的方法
(1)乳胶片
【04】把放射性物质的截面紧贴在暗房里的乳胶片上使它“感光”，再经过显影等手续就可以得到这种射线或粒子径迹的“照片”。因为当带电粒子经过乳胶中的溴化银颗粒时，产生了电离作用，使溴化银颗粒“感光”，感光点在显影时变黑。于是我们可以观察到粒子在乳胶中的径迹，并根据径迹的长短、形状和其中颗粒的疏密程度来确定粒子的性质和种类。这种乳胶片和一般的照相底片的不同处在于溴化银的含量多，颗粒细，乳胶层也较厚，约为 50~300 微米。这种方法的优点是应用方便，即使对于快速的粒子也能得到全部径迹；此外，由于在乳胶上形成的象可以保持相当的时间，因此我们还可以利用这点来记录某一段时间内先后经过乳胶的粒子。
(2)威耳逊云室
【05】当速度很大的放射性的带电粒子通过威耳逊云室时，就会使它所碰到的气体分子电离，从而在它的运动径迹上形成一连串的离子，这时如果在空气中含有过饱和的蒸汽（水、酒精或者它们的混合物），蒸汽就会以这些离子为核心凝成一串雾滴。如果我们从侧面用很强的光来照射，就可以看到一条白色的粒子径迹，这个径迹可以用照相拍摄下来。
【06】图9·1就是威耳逊云室的简图。其主要部分就是一个圆简状的容器 C，里面装着干净的气体（氢气、氮气或者空气）和少量的酒精、水；P 是一个可以上下滑动的活塞。在使用前我们先把活塞 P 向上压挤室内的气体，然后使活塞 P 迅速地向下运动，于是室内气体就进行绝热膨胀，使室内温度迅速下降到它的露点以下，这时室内气体中所含有的蒸汽就处于过饱和状态。如果这时在气体中含有离子，过饱和的蒸汽就会围绕着这些离子凝成雾滴。为了便于我们从上面隔着玻璃板 G 进行观察或者拍摄照片，在容器 C 的侧面还装有小窗，可以让照明用的强光透入，如果把放射源放在云室内 A 点处，从 A 点发出的 α 粒子或者 β 粒子就沿着它的径迹使气体分子电离而产生一些离子，这时若使云室内气体膨胀，雾滴就会形成在 α 粒子或 β 粒子的径迹上。每次使用后，在活塞 P 和玻璃板 G 之间加上一个电场，使室内的离子迅速地被除掉，以保证下一次使用时的效果。
【07】威耳逊云室是1912年英国科学家威耳逊首先设计成功的。近年来已经有了不少的改进，例如现在的云室都是自动控制的，即膨胀、摄影仅在粒子飞过云室时才发生，这种控制是借助于计数器和替续器来使云室工作的。
【08】根据径迹的长短、浓淡、方向等可以分析出带电粒子的性质。例如把云室放在磁场中就可以根据粒子径迹的方向分辨出粒子所带电荷的正负。
(3)汽泡室
【09】汽泡室是一种比较新型的带电粒子探测器。它是由威耳逊云室发展而成的，因此它的原理跟威耳逊云室很相似。威耳逊云室对于高能的带电粒子的探测效果并不好，不能观察到它的全部径迹，而汽泡室就可以避免上述缺点。汽泡室是利用当带电粒子经过过热液体时粒子的径迹处会形成汽泡的原理设制而成的。它是一个装有液体（如丙烷，液态氢等）的玻璃容器，室内液体的温度略高于它的正常沸点，这时它之所以没有沸腾是因为室内压强较高，当室内压强突然下降时，液体就处于过热状态。如果这时有带电粒子通过液体，液体中带电粒子的径迹处就会形成一串小汽泡，通过这些小汽泡就可以了解到这种带电粒子的性质。因为液体的密度比气体大，所以只有能量相当大的带电粒子才能通过汽泡室，例如宇宙射线中的带电粒子，或者经过加速器加速而得到的超高能粒子等。因此汽泡室特别适合于观察高能粒子。
2、记录射线或粒子进入仪器的讯号从而探测其物理性质的方法
(1)闪烁镜
【10】闪烁镜是根据射线或者粒子能使某些物质放出荧光的特性设计出来的。如图9·2(a)所示，它的构造是一个很轻的管子，在它的底部放着涂有硫化锌的荧光屏，在离屏不远的地方有一根固定在管壁上的小针，针尖上涂有要探测的放射性物质。放射性物质放出的射线打在屏上就使它发生闪光。观察者在完全黑暗的房间里，通过闪烁镜上面的放大镜就可以看到每一个粒子打在屏上所发出的闪光，记录闪光的次数就可以知道射在屏上的粒子数（如图9·2(b)所示）。闪烁镜不仅可以用来观察 α 粒子，而且还可以用来观察快速的 β 粒子。
(2)闪烁计数器
【11】利用人眼来记录闪光次数是很吃力的，同时如果一下子射在荧光屏上的粒子数很多，那就无法进行记录了。在有了光电倍加器以后，我们可以利用光电倍加器来代替人眼，再利用电子仪器设备来自动进行计数，这种由荧光晶体、光电倍加器和电子计数设备所组成的整套计数系统就叫做闪烁计数器。
【12】所谓光电倍加器是一种灵敏度非常高的光电管，图9·3就是一种光电倍加器的示意图。其主要部分是一组百叶窗状的电极，在各个电极上都加上适当的电压以形成电场，而且使每一个电极上的电压都比前一个电极上的电压高出 100 伏特左右。图中的 P 就是光灵敏阴极，当光射到这个能够产生光电效应的阴极上时，就使阴极发出光电子，这些光电子受到电场的加速就打在最近的阳极 1 上，由于它们具有适当的能量，每个光电子就会在电极 1 上打出几个新的电子来，这些电子叫做次级电子。很明显，阳极 1 对于电极 2 来说是阴极，因此从电极发出的电子又在电场的作用下加速地打在阳极 2 上，又产生更多的电子。这样每通过一个电极，电子数就放大几倍，如果有 10 个电极，就可以使最后到达阳极的电子总数是原来光电子数的几十万倍，这样一来，光电流就得到了放大。以上所述的也就是光电倍加器具有很高灵敏度的原因。
【13】在闪烁计数器里，在光电倍加器的光灵敏阴极 P 的附近装有荧光晶体。当粒子射到晶体上时，晶体就发出闪光，从而使 P 发出光电子。于是在光电倍加器里就有了光电流。如果我们在光电倍加器的最后一个阳极上串联一个电阻 R，那么当有光电流通过时，电阻 R 上就有电压降产生，因此当每一个粒子射在荧光晶体上而发出一次闪光时，电阻 R 上就出现一次脉冲电压，把这脉冲电压用放大器放大，并把它记录下来，就可以对进入闪烁计数器的粒子进行计数。
【14】利用闪烁计数器不仅可以计数，而且还可以从脉冲电压的大小来推测闪光的强度，从而来确定入射粒子的能量。
(3)盖革计数器（盖-谬计数器）
【15】盖革计数器是盖革计数管配上电子计数设备的计数系统。这种计数器主要是根据射线或粒子能使气体电离的特性设制而成的。图(a)就是一种盖革计数管的示意图。其主要部分是一个两端用绝缘物质封闭着的金属圆筒 C 和一根与筒的中心轴重合的金属细丝 W，通常在圆筒外面还套有一个玻璃管 G 。筒 C 内装有低压的惰性气体（压强约为 5~12 厘米高水银柱）。在金属丝 W 和筒 C 间加上一定的电压，以筒 C 为阴极，金属丝 W 为阳极，这一电压必须稍低于筒内气体的电离电压，从而使筒内在没有射线穿过时不发生气体放电现象。当某种射线或粒子进入筒内时，它就使筒内气体电离；这些离子在电场中被加速，以后在跟中性的气体分子碰撞时又产生次级电子；次级电子再使气体电离……。因此当它们达到中心的金属丝 W 时，一个电子就已经形成了几千个电子，产生所谓电子“雪崩”现象。所以当粒子进入计数管后，就在电阻 R 上产生脉冲电压，利用电子仪器设备就可以把它自动计录下来。
【16】盖革计数器由于放大倍数大，因此非常灵敏。但是它对于不同的射线都给出大小相同的脉冲，因而只能用来计数，而不能用来分辨不同的粒子，同时由手它有一段间隙时间不能计数，因此也不适于作极快的计数。
【17】当利用盖革计数器对 α 射线进行计数时，因为 α 射线的贯穿能力较小，所以必须在计数管上装一个很薄的云母小窗（如图9·4(b)中的 A），或者把放射源放在计数管内。
关键词：
质检
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