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浙师大近代物理实验报告物质的衰减系数测量实验报告物理081班 任希 08180123摘要:在本实验中,我们了解了影响物质射线衰减系数大小的因素,利用CT教学实验仪,最终通过最小二乘法拟合曲线测量射线能量为0.662MeV时钢的衰减系数,由原理可知曲线的斜率就是衰减系数。关键字:射线、衰减系数、最小二乘法拟合 引 言: 射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长极短,穿透力很强,又携带高能量。1900年由法国科学家P.V.维拉德(Paul Ulrich Villard)发现,将含镭的氯化钡通过阴极射线,从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔,拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为射线,是继、射线后发现的第三种原子核射线。1913年,射线被证实为是电磁波,由原子核内部自受激态至基态时所放出来的,跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。范围波长为0.1 埃,和X射线极为相似,但具有比X射线还要强的穿透能力。射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。射线是光子,光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的射线与物质的相互作用效果不同,为了有效地屏蔽辐射,需要根据物质对射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度,反之,利用物质对射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对射线的吸收规律的现实意义非常巨大,如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。医学:射线成像是一种实用技术,能帮助医生诊断疾患,如癌症等。工业:射线料位计和探伤仪生物学:射线人工诱导植物及微生物基因突变,筛选对人类有价值的新品种。军事:在尽可能小地破坏建筑的情况下,造成生命体无法愈合的损害甚至杀死生命体。光子在每一次相互作用中都会损失一部分或全部能量,因此,当射线通过物质时,原射线强度会逐渐减弱。本次实验中我们将要测量物质的衰减系数。正文:1.1钢的射线衰减系数测量根据射线通过物质时的衰减规律(朗伯比尔定律):对上式取对数:如果通过实验测得射线穿过不同厚度钢的计数值,通过最小二乘法可以求得钢的衰减系数。射线与物质相互作用,可以有许多种方式。当射线的能量不太高时,在所有相互作用方式中,最主要的三种方式包括光电效应、康普顿效应和电子对效应。因此,在射线的能量不太高时,衰减截面是光电效应截面、康普顿效应截面和电子对效应截面之和,即:。式中表示光电效应截面,表示康普顿效应截面,表示电子对效应截面。射线与物质作用的衰减系数为:由于,式中A为原子质量数,为阿伏伽德罗常数,即:令,称为质量衰减系数,则射线穿过物质的距离d时的强度衰减为:从上式可以看出,射线的衰减与物质的密度有关,物质的密度越大,射线衰减越快。1.2最小二乘法拟合由以上公式,得:从上式可以看出,物质的厚度d与成线性关系,其系数为该物质的衰减系数。如果通过实验测得射线穿过不同厚度的物质之后的强度变化数据,根据,可按最小二乘法做直线拟合,直线的斜率即为该物质的衰减系数。最小二乘法拟合曲线的原理是:若能找到最佳的拟合曲线,那么该拟合曲线与各测量值之偏差的平方和,在所有拟合曲线中应最小。1.3实际实验步骤1.打开CD-50BGA+型CT教学实验仪电源,使实验仪预热半小时,同时打开计算机。2.预热完成后,将钢质台阶型测试试件侧方摆放在实验仪的平台上。打开软件,检验试验仪的机械运动性能。操作向右、向右运动以及旋转,确保实验仪平台处在正常平顺的工作状态。3.调整平台高度,使实验仪的激光束打在钢质台阶型测试试件中间高度左右处。4.确保肢体部位没有对准放射源口,顺时针旋转钥匙,打开放射源。5.设置扫描参量,启动扫描。6.重复扫描3次,扫描完成后立即关闭放射源。7.处理数据,检查误差8.关闭所有实验仪器,并做整理。1.4数据处理根据已有的数据可以在excel里绘图得到如下的曲线图,基本符合实验预期。根据三次扫描数据,取出平均值,根据最小二乘法,即公式求得射线的衰减系数为0.05411500.2102050.4319660.6527010.8789451.09404d(mm)048121620最终比值00.0525510.0539950.05439170.05493400.054702以上的表格体现了衰减系数与厚度的关系。1.5实验结论通过最小二乘法的计算之后,可以得到衰减系数为0.054115。从实验图像曲线和原始数据来看,曲线两端峰位最高,而是因为射线经过空气,未穿过台阶形的测量物,所以几乎不衰减,曲线整体走势由最高到最低的趋势一台阶一台阶地逐步升高,而走势的方向是与台阶形测量物的放置位置有关的,事实上曲线可以完全颠倒。接着根据实验原理中的公式,得到了一条含d的衰减系数的表达式,在接下去的实验数据处理中,在excel里列明和d的比值,可以发现衰减系数和厚度的关系并不明显。不过,实验数据体现物件的厚度越大,射线衰减
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