【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第九章原子核的結(jié)構(gòu)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的?！??

§9-1放射性的探測方法和探測器

【01】我們已經(jīng)初步研究了原子的外層結(jié)構(gòu)，在這一章里，將進(jìn)一步來討論原子核的結(jié)構(gòu)。關(guān)于原子核的研究，應(yīng)該說是從1896年發(fā)現(xiàn)了天然放射性時就開始的。雖然原子核的發(fā)現(xiàn)要比放射性元素的發(fā)現(xiàn)晚 15 年，但事實表明，物質(zhì)的放射過程與原子核外電子重新分布的物理、化學(xué)條件的改變無關(guān)。有人曾經(jīng)做過這樣的實驗，他把放射性物質(zhì)加熱到幾千度的高溫，并且加上數(shù)百個大氣壓的高壓或者放在幾千奧斯特的強(qiáng)磁場中，結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)它的放射過程有任何變化，這就是說，物質(zhì)的放射過程是在原子的最內(nèi)部——原子核里發(fā)生的。因此，對物質(zhì)的放射性的研究，實質(zhì)上就是對原子核蛻變過程的研究。

【02】在第八章里，我們已經(jīng)對天然放射現(xiàn)象作了初步的介紹，現(xiàn)在就在它的基礎(chǔ)上來研究各種放射性射線的性質(zhì)和放射性元素的蛻變規(guī)律。

【03】要研究各種放射性射線的性質(zhì)，首先必須了解探測各種放射性粒子的方法，包括探測它們的存在，辨別并測量它們的各種物理性質(zhì)等。用來探測各種射線或粒子的儀器就叫做探測器。探測器的基本原理是利用這些射線與其他物質(zhì)作用時所產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象，研究這些現(xiàn)象就可以探測到射線或粒子的存在，辨別它們的性質(zhì)。對于性質(zhì)不同的探測工作，所用的探測器也不同；探測器的種類很多，這里只簡單介紹幾種常用的探測方法和相應(yīng)的探測器。

1、觀察射線或粒子在一定物質(zhì)中的徑跡，從而探測其物理性質(zhì)的方法

(1)乳膠片

【04】把放射性物質(zhì)的截面緊貼在暗房里的乳膠片上使它“感光”，再經(jīng)過顯影等手續(xù)就可以得到這種射線或粒子徑跡的“照片”。因為當(dāng)帶電粒子經(jīng)過乳膠中的溴化銀顆粒時，產(chǎn)生了電離作用，使溴化銀顆?！案泄狻?，感光點在顯影時變黑。于是我們可以觀察到粒子在乳膠中的徑跡，并根據(jù)徑跡的長短、形狀和其中顆粒的疏密程度來確定粒子的性質(zhì)和種類。這種乳膠片和一般的照相底片的不同處在于溴化銀的含量多，顆粒細(xì)，乳膠層也較厚，約為 50~300 微米。這種方法的優(yōu)點是應(yīng)用方便，即使對于快速的粒子也能得到全部徑跡；此外，由于在乳膠上形成的象可以保持相當(dāng)?shù)臅r間，因此我們還可以利用這點來記錄某一段時間內(nèi)先后經(jīng)過乳膠的粒子。

(2)威耳遜云室

【05】當(dāng)速度很大的放射性的帶電粒子通過威耳遜云室時，就會使它所碰到的氣體分子電離，從而在它的運動徑跡上形成一連串的離子，這時如果在空氣中含有過飽和的蒸汽（水、酒精或者它們的混合物），蒸汽就會以這些離子為核心凝成一串霧滴。如果我們從側(cè)面用很強(qiáng)的光來照射，就可以看到一條白色的粒子徑跡，這個徑跡可以用照相拍攝下來。

【06】圖9·1就是威耳遜云室的簡圖。其主要部分就是一個圓簡狀的容器 C，里面裝著干凈的氣體（氫氣、氮氣或者空氣）和少量的酒精、水；P 是一個可以上下滑動的活塞。在使用前我們先把活塞 P 向上壓擠室內(nèi)的氣體，然后使活塞 P 迅速地向下運動，于是室內(nèi)氣體就進(jìn)行絕熱膨脹，使室內(nèi)溫度迅速下降到它的露點以下，這時室內(nèi)氣體中所含有的蒸汽就處于過飽和狀態(tài)。如果這時在氣體中含有離子，過飽和的蒸汽就會圍繞著這些離子凝成霧滴。為了便于我們從上面隔著玻璃板 G 進(jìn)行觀察或者拍攝照片，在容器 C 的側(cè)面還裝有小窗，可以讓照明用的強(qiáng)光透入，如果把放射源放在云室內(nèi) A 點處，從 A 點發(fā)出的 α 粒子或者 β 粒子就沿著它的徑跡使氣體分子電離而產(chǎn)生一些離子，這時若使云室內(nèi)氣體膨脹，霧滴就會形成在?α?粒子或?β?粒子的徑跡上。每次使用后，在活塞 P 和玻璃板 G 之間加上一個電場，使室內(nèi)的離子迅速地被除掉，以保證下一次使用時的效果。

【07】威耳遜云室是1912年英國科學(xué)家威耳遜首先設(shè)計成功的。近年來已經(jīng)有了不少的改進(jìn)，例如現(xiàn)在的云室都是自動控制的，即膨脹、攝影僅在粒子飛過云室時才發(fā)生，這種控制是借助于計數(shù)器和替續(xù)器來使云室工作的。

【08】根據(jù)徑跡的長短、濃淡、方向等可以分析出帶電粒子的性質(zhì)。例如把云室放在磁場中就可以根據(jù)粒子徑跡的方向分辨出粒子所帶電荷的正負(fù)。

(3)汽泡室

【09】汽泡室是一種比較新型的帶電粒子探測器。它是由威耳遜云室發(fā)展而成的，因此它的原理跟威耳遜云室很相似。威耳遜云室對于高能的帶電粒子的探測效果并不好，不能觀察到它的全部徑跡，而汽泡室就可以避免上述缺點。汽泡室是利用當(dāng)帶電粒子經(jīng)過過熱液體時粒子的徑跡處會形成汽泡的原理設(shè)制而成的。它是一個裝有液體（如丙烷，液態(tài)氫等）的玻璃容器，室內(nèi)液體的溫度略高于它的正常沸點，這時它之所以沒有沸騰是因為室內(nèi)壓強(qiáng)較高，當(dāng)室內(nèi)壓強(qiáng)突然下降時，液體就處于過熱狀態(tài)。如果這時有帶電粒子通過液體，液體中帶電粒子的徑跡處就會形成一串小汽泡，通過這些小汽泡就可以了解到這種帶電粒子的性質(zhì)。因為液體的密度比氣體大，所以只有能量相當(dāng)大的帶電粒子才能通過汽泡室，例如宇宙射線中的帶電粒子，或者經(jīng)過加速器加速而得到的超高能粒子等。因此汽泡室特別適合于觀察高能粒子。

2、記錄射線或粒子進(jìn)入儀器的訊號從而探測其物理性質(zhì)的方法

(1)閃爍鏡

【10】閃爍鏡是根據(jù)射線或者粒子能使某些物質(zhì)放出熒光的特性設(shè)計出來的。如圖9·2(a)所示，它的構(gòu)造是一個很輕的管子，在它的底部放著涂有硫化鋅的熒光屏，在離屏不遠(yuǎn)的地方有一根固定在管壁上的小針，針尖上涂有要探測的放射性物質(zhì)。放射性物質(zhì)放出的射線打在屏上就使它發(fā)生閃光。觀察者在完全黑暗的房間里，通過閃爍鏡上面的放大鏡就可以看到每一個粒子打在屏上所發(fā)出的閃光，記錄閃光的次數(shù)就可以知道射在屏上的粒子數(shù)（如圖9·2(b)所示）。閃爍鏡不僅可以用來觀察 α 粒子，而且還可以用來觀察快速的 β 粒子。

(2)閃爍計數(shù)器

【11】利用人眼來記錄閃光次數(shù)是很吃力的，同時如果一下子射在熒光屏上的粒子數(shù)很多，那就無法進(jìn)行記錄了。在有了光電倍加器以后，我們可以利用光電倍加器來代替人眼，再利用電子儀器設(shè)備來自動進(jìn)行計數(shù)，這種由熒光晶體、光電倍加器和電子計數(shù)設(shè)備所組成的整套計數(shù)系統(tǒng)就叫做閃爍計數(shù)器。

【12】所謂光電倍加器是一種靈敏度非常高的光電管，圖9·3就是一種光電倍加器的示意圖。其主要部分是一組百葉窗狀的電極，在各個電極上都加上適當(dāng)?shù)碾妷阂孕纬呻妶?，而且使每一個電極上的電壓都比前一個電極上的電壓高出 100 伏特左右。圖中的 P 就是光靈敏陰極，當(dāng)光射到這個能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的陰極上時，就使陰極發(fā)出光電子，這些光電子受到電場的加速就打在最近的陽極 1 上，由于它們具有適當(dāng)?shù)哪芰?，每個光電子就會在電極 1 上打出幾個新的電子來，這些電子叫做次級電子。很明顯，陽極 1 對于電極 2 來說是陰極，因此從電極發(fā)出的電子又在電場的作用下加速地打在陽極 2 上，又產(chǎn)生更多的電子。這樣每通過一個電極，電子數(shù)就放大幾倍，如果有 10 個電極，就可以使最后到達(dá)陽極的電子總數(shù)是原來光電子數(shù)的幾十萬倍，這樣一來，光電流就得到了放大。以上所述的也就是光電倍加器具有很高靈敏度的原因。

【13】在閃爍計數(shù)器里，在光電倍加器的光靈敏陰極 P 的附近裝有熒光晶體。當(dāng)粒子射到晶體上時，晶體就發(fā)出閃光，從而使 P 發(fā)出光電子。于是在光電倍加器里就有了光電流。如果我們在光電倍加器的最后一個陽極上串聯(lián)一個電阻 R，那么當(dāng)有光電流通過時，電阻 R 上就有電壓降產(chǎn)生，因此當(dāng)每一個粒子射在熒光晶體上而發(fā)出一次閃光時，電阻 R 上就出現(xiàn)一次脈沖電壓，把這脈沖電壓用放大器放大，并把它記錄下來，就可以對進(jìn)入閃爍計數(shù)器的粒子進(jìn)行計數(shù)。

【14】利用閃爍計數(shù)器不僅可以計數(shù)，而且還可以從脈沖電壓的大小來推測閃光的強(qiáng)度，從而來確定入射粒子的能量。

(3)蓋革計數(shù)器（蓋-謬計數(shù)器）

【15】蓋革計數(shù)器是蓋革計數(shù)管配上電子計數(shù)設(shè)備的計數(shù)系統(tǒng)。這種計數(shù)器主要是根據(jù)射線或粒子能使氣體電離的特性設(shè)制而成的。圖9.4(a)就是一種蓋革計數(shù)管的示意圖。其主要部分是一個兩端用絕緣物質(zhì)封閉著的金屬圓筒 C 和一根與筒的中心軸重合的金屬細(xì)絲 W，通常在圓筒外面還套有一個玻璃管 G? 。筒 C 內(nèi)裝有低壓的惰性氣體（壓強(qiáng)約為 5~12 厘米高水銀柱）。在金屬絲 W 和筒 C 間加上一定的電壓，以筒 C 為陰極，金屬絲 W 為陽極，這一電壓必須稍低于筒內(nèi)氣體的電離電壓，從而使筒內(nèi)在沒有射線穿過時不發(fā)生氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)某種射線或粒子進(jìn)入筒內(nèi)時，它就使筒內(nèi)氣體電離；這些離子在電場中被加速，以后在跟中性的氣體分子碰撞時又產(chǎn)生次級電子；次級電子再使氣體電離……。因此當(dāng)它們達(dá)到中心的金屬絲 W 時，一個電子就已經(jīng)形成了幾千個電子，產(chǎn)生所謂電子“雪崩”現(xiàn)象。所以當(dāng)粒子進(jìn)入計數(shù)管后，就在電阻 R 上產(chǎn)生脈沖電壓，利用電子儀器設(shè)備就可以把它自動計錄下來。

【16】蓋革計數(shù)器由于放大倍數(shù)大，因此非常靈敏。但是它對于不同的射線都給出大小相同的脈沖，因而只能用來計數(shù)，而不能用來分辨不同的粒子，同時由手它有一段間隙時間不能計數(shù)，因此也不適于作極快的計數(shù)。

【17】當(dāng)利用蓋革計數(shù)器對 α 射線進(jìn)行計數(shù)時，因為 α 射線的貫穿能力較小，所以必須在計數(shù)管上裝一個很薄的云母小窗（如圖9·4(b)中的 A），或者把放射源放在計數(shù)管內(nèi)。