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闪烁体（一）

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2025-8-22 16:32

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科学的科普（20）闪烁体（一）

张武昌2025年8月22日星期五

1903年，William Crooks在进行实验时意外发明了闪烁镜spinthariscope（源于希腊单词发光 scintillation）。

他不小心把少量的溴化镭radium bromide洒在了硫化锌zinc sulfide的屏幕上，因为溴化镭太珍贵了，他小心翼翼的捡起每一粒溴化镭，用放大镜在屏幕上仔细寻找。他发现有闪动的光，是溴化镭射线造成的。这是一个新的发现，Crooks制作了一个观察这些闪光的装置，这就是闪烁镜发明的过程。而受到射线刺激而发光的材料被称为闪烁体scintillator。Crooks曾经发明了著名的Crooks管，1903年，阴极射线管和闪烁镜一起做广告售卖。

闪烁镜的原理类似万花筒，从圆筒的一端望进去，透过一个放大镜（C）看到另一端的屏幕（B）上有闪烁的光点，原因是在屏幕和放大镜之间靠近屏幕端有一个圆柱的顶端（A）附着了一定量的放射性物质。

放射性物质向四周发出射线，每一个（条）alpha射线打到屏幕引起一次闪光。因此计数闪光的次数就是计数射线的多少，因此闪烁镜是最早的放射性计数器。

在黑暗中适应一段时间后，观察者通过闪烁镜的透镜可以看到硫化锌屏幕上有小的闪光点，Crookes描述为动荡的荧光之海 turbulent luminous sea，也有人称之为漫天的星星（星海）。

Spinthariscope只是一个玩具，由于闪光非常微弱，观察者需要在漆黑中适应10分钟才能让眼睛看到闪光。这对科学家来说实在不便，但是闪烁镜在维多利亚时代的社交圈却很受欢迎，和女士共餐时，男士可以为了观看漫天星辰关灯10分钟，可见闪烁镜多么热门。

因为闪烁镜是时髦之物，所以售价不菲，一个价格为10英镑左右。在二十世纪初期，一英镑的含金量大约为7至10克，考虑到当时金、银本位制的影响，黄金的价值较高，我们可以以每克黄金500元来估算，因此一英镑在当时大致相当于现在的4000元人民币。闪烁镜的价值在当时无疑是相当高昂的。

闪烁体很快便被用到科学实验中。1909年，卢瑟福指导汉斯·盖革和恩斯特·马斯登完成了著名的阿尔法粒子散射实验（Geiger–Marsden experiment）。探测粒子的方法就是使用闪烁体原理，在黑暗的环境下用显微镜计数微弱的闪光。

据说盖革非常认真耐心的工作，但是由于这项非常耗费眼力的经历促使他发明了盖革计数器。

闪烁原理在第一次世界大战时期得到了重用。硫化锌自己本身不发光，只是具有磷光特性，经过光照射后得到激发，能够持续发出一定时间的光，但硫化锌的衰减速度很快，一会就没有光亮了。如果将镭和硫化锌混合，那么硫化锌受到镭元素的激发，就会长时间持续发光，这种跨时代的夜光材料开始迅速普及。

在1917年，美国陆军为了让士兵在夜间还能看到时间，将镭这种放射性物质涂抹在钟表上，变成最初的夜光表。指挥官们需要夜光表来指挥作战，镭元素和闪烁体被用来制作夜光表，美国镭企业（Radium Luminous Material Corporation）在新泽西州的工厂请一批女工将镭的化合物涂抹到表盘上的刻度与指针上，产生迷人夜光。1917年，数十名年轻女孩用精致的驼毛刷把粘合剂、镭粉、硫化锌和水的混合物涂到表面上，这些小刷子画几笔就会变形。所以女孩们经常将笔放到嘴里舔一下，恢复笔形。

为了满足自己的需求，镭女孩在一天的工作结束后，还会将剩余的涂料带回去，用来捈抹指甲，甚至用来化妆。夜间发光的妆容，在当时的各个酒吧中都十分流行。

当时这些女工被告知镭是无毒，但是这些女孩成为放射性的首批已知的受害者，在很年轻的岁数结束了生命，成为著名的镭女郎。镭夜光的使用被逐渐放弃，现在多为钷。根据放射性元素剂量的大小，夜光亮度也不同。尽管这层放射性物质涂的非常薄，长时间佩戴仍旧会给人体造成伤害，后来科学家们又寻找新的发光涂层。

1949年，开始利用氚这种放射性元素，它的放射性较低，对人体的危害不如镭。

氚管，又称氚灯、β灯，是一种利用氢的同位素氚的放射性制造的发光装置，其主要结构是在一个密闭玻璃管中充入氚气，由氚在β衰变时释放出的电子射中涂在玻璃管内部的荧光粉，发出荧光。这个过程被称为辐射发光。氚管的构造非常简单，就是在一根硼硅玻璃管的内壁涂上含荧光涂料，充入微量的氚气后密封。氚气会均匀的释放出少量的电子流，激发管壁上的荧光材料，使其发光。氚管发出的光非常微弱，在白天几乎不可见，但是在晚上的能见距离能达到数米。玻璃管内填充的氚气压力越大，发光的亮度也就越大。

因为氚的半衰期为12.43年，此类夜光的氚管使用寿命大约是10-20年。在此期间，氚管的光芒会逐渐减弱。超过两个半衰期，也就是24年后，光就非常微弱了。

当然，氚气管技术也是有辐射的。“抛开剂量谈危害都是耍流氓”，氚作为激发元素的夜光辐射非常非常小，相当于没有，其射线连蓝宝石表镜都难以穿透。即使氚气管破裂，氚外漏对人体的危害也不值一提。该技术的放射性物质含量小于25个居里单位，符合安全标准，不发出任何热量，即使长时间佩戴也不会对身体造成任何伤害。

氚是一种放射性元素，自然界中含量极低，所以必须通过人工的方法来合成，而且产量非常有限。根据美国能源部的报告，从1955年至1996年四十多年，美国全国氚的产量不过225公斤，大多为军事用途。而且由于氚会衰变为氦，所以剩下的氚不超过75公斤。现在全球每年商业用氚的量大约为400克，而每一克的成本高达30,000美元。

2020年，全球氚的存量约为25公斤。全球范围内氚的唯一商业来源是19座加拿大氘铀核反应堆（CANDU，又称坎杜反应堆，是一种加压重水反应堆设计），每个反应堆每年产生约0.5公斤氚，但这些核反应堆中的一半将在十年内退役。根据ITER 2018年的推测，可用氚的库存将在十年内达到峰值，之后会随着氚的出售和衰变而稳步下降。

由于氚气管的价格较高，常见于高端夜光潜水、军用手表上。尽管一支手表上氚的含量非常少，只有不超过10微克，但是由于的氚的价格非常昂贵，使用氚管的手表往往也比较昂贵。否则氚管的成本就会超过手表本身的造价。一块新的手表，上面的氚管越亮，代表着氚的含量越高，造价也越高。把这种技术运用到极致的品牌是瑞士波尔（BALL）以及风靡军表界的瑞士鲁米诺斯（LUMINOX）。