“史上最危险的玩具”应该怎么玩？

文章来源：中科院高能所

作者：张天昊

铀238原子能实验室

1950年，传奇玩具商人吉尔伯特推出一款玩具套装——“吉尔伯特铀238原子能实验室（Gilbert U-238 Atomic Energy Laboratory）”，这套被后世被称为“史上最危险的玩具”之一的玩具在当时售价高达49.5美元。玩具刚发布的时候号称是最先进的科学玩具和史上最好的科学套装。单从配置上来说，这样的宣传似乎也不算过分。玩具套装包括一个盖革-米勒计数器、一个验电器、一个闪烁镜（spinthariscope）、一个带有短寿命α源的威尔逊云室、四个含有铀238的天然矿石、三个低水平辐射源（包括一个β-α混合源、一个纯β源和一个γ源）、一些表示质子和中子的小球（用来组装原子模型）、一本长达60页的说明手册、一本科普漫画书，以及一本由美国原子能委员会和美国地质调查局联合出版的《铀矿勘探》。说明手册由曾经参与曼哈顿计划的核物理科学家Ralph E.Lapp博士编写，科普漫画书则邀请了三名科学家作为科学顾问，其中就有曼哈顿计划的负责人Leslie Groves将军以及著名物理学家John R.Dunning博士。

将军正在看科普漫画书，眉头一皱，发现事情并不简单

U-238原子能实验室实物

那这套玩具究竟应该怎么玩？实际上，玩具说明书中给出了相当多的玩法。例如，你可以选择用盖革-米勒计数器探测铀矿。在探测之前，你需要先用玩具里的放射源来熟悉一下盖革-米勒计数器的操作。具体来说，你可以让朋友或者家人把一个γ源藏在家中，然后你拿着盖革-米勒计数器寻找藏起来的放射源，当计数器咔哒声越来越密集的时候，就说明离放射源也越来越近了。这个小游戏只能算是新手教学任务，等熟悉了操作后，你就可以去野外探索真正的铀矿了，而找到了铀矿的小朋友可以拿到政府的10000美元奖励。（当然，这只是一个宣传的噱头，玩具公司也知道铀矿勘探度和捉迷藏的困难程还是有亿点区别的）。

当年的玩具广告，告诉小朋友们可以通过玩具中的盖革-米勒计数器探测铀矿进而拿到政府提供的10000美元大奖

科学的玩法

由于这款玩具的硬核设计和宣传画中儿童稚嫩的脸庞之间具有强烈的反差感，使得现在人们提起这款玩具的时候总觉得有些魔幻。但是实际上这套科学玩具的设计初衷是十分严肃认真的，玩具的设计者非常鼓励儿童用这套玩具来进行真正的科学实验，而不是仅仅用它来进行捉迷藏游戏。下面我们就简要介绍一下玩具说明书中给出的几个可操作的科学玩法，以及它们本身的科学背景，以下科学玩法的插图均来自于玩具说明书。

1 发现辐射强度的平方反比定律

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因此，我们需要首先熟悉盖革-米勒计数器的使用，然后记录盖革-米勒计数器在不同距离下对γ源的计数率。玩具的设计者希望孩子们能够通过实验学会记录数据和在格纸上画图，并且通过所得到的数据发现辐射强度的平方反比定律。辐射强度的平方反比定律是指特定位置辐射强度的大小与该位置和放射源的距离的平方成反比，即：

辐射强度的反比定律不仅仅适用于γ辐射，而是可以推广到所有波长的电磁辐射。了解到辐射强度的平方反比定律后，我们就可以对不同的放射源计算不同的安全距离。此外，在现代的天文学研究中，我们可以通过宇宙中的标准烛光la型超新星来测量十亿光年外天体的距离，其中也用到了辐射的平方反比定律。

通过这套玩具画出来盖革-米勒计数器计数率和距离的关系图

2 测量不同材料对射线屏蔽能力

具体做法是在盖革-米勒计数器和γ源之间插入不同的材料，然后测量将γ源辐射强度降低一半时材料的厚度。通过这个实验可以引出一个在辐射防护中非常重要的概念，即半值层（Half-value Layer）。半值层是屏蔽厚度的一个常用的表示方法，其定义就是电磁辐射强度衰弱到初始值一半时所需要的物质厚度。官方手册推荐了几种常见的物质作为实验材料。通过实验我们可以发现屏蔽材料内的原子序数越高，半值层也越小。这也是为什么在辐射防护中经常使用铅作为屏蔽材料。

不同材料对γ射线屏蔽一半时所需要的厚度，从左到右分别是木头、水、铝、铁和铅

3 探索宇宙射线

玩具的设计者还告诉我们可以用这套玩具亲自测量一下宇宙射线。具体做法是首先对盖革-米勒计数器做一些简单的屏蔽（屏蔽能量较低的辐射），然后用其记录海平面地区的辐射强度，最后再去高海拔地区或者升入高空的飞机中记录辐射强度，通过比较不同海拔的辐射强度，你会发现海拔越高辐射强度越大。这一现象说明外太空中存在能量极高的宇宙射线。

该实验脱胎与1912年美国物理学家维克托·赫斯发现宇宙射线的实验。这个实验也让其获得了1936年的诺贝尔物理学奖。在宇宙射线发现之前，人们普遍认为大气中测量的电离辐射来源于地球本身，因此假设随着离地面的距离越远，电离辐射水平越低。但是维克托·赫斯乘坐热气球从地面升高到了五千米高空，测量了大气中的电离辐射水平与海拔的关系，发现随着海拔的升高，大气的电离辐射水平显著升高，进而推断出存在来自外太空的放射源，也就是宇宙射线。宇宙射线的发现为粒子物理学和天文学的研究打开了一扇新的大门。即使到现代，人类所能产生的高能粒子的能量还远远要弱于宇宙射线中的粒子，比如前最强大的大型强子对撞机（LHC）可以将质子加速到6.5TeV。由中国科学院高能物理所牵头的“高海拔宇宙线观测站”项目发现的迄今为止能量最高的光子，其能量达到了1.4PeV，是LHC所能达到能量的二百多倍。目前人类观察到的能量最高的宇宙射线粒子被称为“Oh-My-God 粒子”，其能量估计为300EeV，是LHC所能达到能量的四千六百万倍。

正在用盖革-米勒计数器和手表记录数据的小朋友

4 观察α粒子和β粒子的径迹

我们首先需要自己组装一个威尔逊云室，然后通过自己安装的威尔逊云室亲眼观察α粒子和β粒子在云室中产生的径迹。该实验同样脱胎与一个获得诺贝尔物理奖的成果，即英国物理学家威尔逊发明的一种粒子径迹探测器。威尔逊云室内充满着过饱和的乙醇蒸汽，一旦高能带电粒子通过云室，则会通过碰撞气体分子使其电离，电离的气体粒子周围就会产生雾状小液滴，从而使我们观察到粒子的径迹。

威尔逊云室在早期粒子物理实验中发挥了重要的作用，包括正电子和μ子等粒子都是通过威尔逊云室发现的。不过现在的粒子物理实验已不再使用云室作为粒子的径迹探测器了，取而代之的是形形色色的半导体探测器。

威尔逊云室中α粒子的径迹

当然，除了上述科学玩法之外，官方还鼓励孩子们去自己设计实验来充分利用这套玩具。从官方给出的玩法可以看出这套玩具在其科学性的设计上相当的用心。不过这套玩具是不是做到了玩具的本职工作—好玩，可能就是仁者见仁智者见智了，至少当年的小朋友并不是特别的买账，使得该玩具在发布一年后就由于商业上的原因停产了。

那，儿童可以随便玩吗？

不能。

显然，现在的人们在看待这套玩具时最大的疑虑就是它的安全性，特别是玩具中所包含的让人眼花缭乱的放射源，给人们带来了极大的不安全感。那么，这款玩具的生产究竟是在什么样的背景下生产出来的呢？它真的如一些文章中所说的那样，一旦包含铀矿石的玻璃瓶破裂，就会造成大规模核污染吗？

实际上，“铀238原子能实验室”并不是最早的“核能”玩具，在1947年的时候，波特化学公司（Porter Chemical Company）已经为儿童量身打造了包含放射源的科学玩具。在铀238原子能实验室停产后，也有一些厂商尝试生产过类似含放射源的玩具。但是，铀238原子能实验室则是所有类似玩具中最出名的一款，这大概与其曾被评为史上最危险的十个玩具之一有关。

这套玩具发布的时候，距离居里夫人第一次发现镭已经过去了五十多年，人们对放射性的危害有了一定的认知（至少不会和刚开始那样拿镭泡水喝）。所以在其说明书中，也强调了不要将α源或者β源吞入体内，否则会造成内照射，进而导致严重的损伤。玩具公司还委托了橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）对其进行了安全性的测试。所以这套玩具的放射性不高。其中包含的铀矿石虽然有一定的放射性，但是一般的铀矿石含铀量不到0.1%，再加上铀-238本身发射的主要是α粒子。α粒子的穿透力远小于γ射线，一张纸就可以轻松的把α粒子挡住，因此不会造成所谓的大规模核污染。

但是，目前的科学研究发现，即使暴露于低水平的辐射，也会增加一生中发生癌症的风险。这种影响被称为随机效应。再加上儿童的身体对辐射更为敏感。所以现在看来，其宣传的无害也是错误的。另一个显而易见的危险是儿童不会严格的按照说明书来玩，虽然玩具中的放射源以及天然铀矿石其放射性并不高，但是一旦儿童吸入体内将造成严重的内照射伤害。

当年的宣传手册，上面写到其是完全无害和安全的。现在看来这个宣传并不正确

总的来说，吉尔伯特U-238原子能实验室如果作为科学教具的话，将会是一款相当不错的产品。事实上，在它刚上市的时候，哥伦比亚大学曾购买了五套。但是考虑到它是一款实实在在给儿童设计的益智玩具，这件事情就变得非常不靠谱了。毕竟，儿童不是训练有素的实验员。显然，“铀238原子能实验室”只适合放在真正的实验室中来玩。

#创作团队：

作者：张天昊

设计／排版：麻溜溜的猪猪

#参考资料：

1.USA historical consumer price index (CPI) - 1913 to 2022. | Inflation Rateand Consumer Price Index (rateinflation.com)

2.https://www.sparehed.com/2007/05/14/dagwood-splits-the-atom/

3.https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-u-238-atomic-energy-lab.html

4.http://science-notebook.com/experiments.html

5.https://en.wikipedia.org/wiki/Gilbert_U-238_Atomic_Energy_Laboratory#cite_note-6.https://www.nea.gov.sg/our-services/radiation-safety/understanding-radiation/health-effects-of-ionising-radiation-on-people

7.https://byjus.com/physics/inverse-square-law/

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编辑：麻溜溜的猪猪

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编辑：了之