陈孝章伽马射线吸收和物质吸收系数μ的测定

近代物理实验报告 射线吸收与物质吸收系数的测定学 院 数理与信息工程学院 班 级 物理091 姓 名 陈孝章 学 号 09180120 时 间 2011年10月31日 射线吸收与物质吸收系数的测定【摘要】 我们知道原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，而通过测量射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束射线在不同物质中的吸收系数。因此本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的射线能谱；根据当光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对射线进行研究。【关键词】 射线 能级 吸收系数 光电效应 康普顿效应【引言】 在做实验之前，我想提出几个问题。一.什么叫伽马吸收？ 二.物质对伽马射线的吸收系数与哪些因数有关？ 三，为什么说伽马射线通过物质时没有射程概念？希望通过做了实验之后，我能够一一的解答这些问题。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。【正文】一，实验原理1）射线与带电体的作用原理射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，射线可能的吸收核散射有12种过程。这些效应所释放的能量在10KeV到10MeV之间的只有三种，也就是基本上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是：2）光电效应：低能光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。3） 康普顿效应：光子还可以被原子或单个电子散射，当光子的能量（约在1MeV）大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子 ，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，发生康普顿效应。4） 电子对效应：若入射光子的能量超过1.02MeV，光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、负电子对，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV) 5） 三种射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对射线的吸收规律如下：作用特点：射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；射线穿过物质时，强度逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变，因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”来表示射线对物质的穿透情况。吸收规律：本实验研究的主要是窄束射线在物质中的吸收规律。所谓窄束射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”，即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 其中，I0、I分别是穿过物质前、后的射线强度，x是射线穿过的物质的厚度（单位cm），r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中的原子数，是物质的线性吸收系数（=rN，单位为cm）。显然的大小反映了物质吸收射线能力的大小。需要说明的是，吸收系数是物质的原子序数Z和射线能量的函数，且：式中、分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：、（Z为物质的原子序数）。射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射射线的能量Eg和吸收物质的原子序数Z而改变。射线的线性吸收系数是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对射线的线性吸收系数与射线能量的线性关系。实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（31）式可表达为 由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的射线强度I成正比，又对（32）式取对数得： 由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。可以从这条直线的斜率求出，即 除吸收系数外，物质对g射线的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。 所谓“半吸收厚度”就是使入射的g射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作： 二实验步骤1) 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。2) 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2 片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最后的总厚度要能吸收射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图。3) 计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni。4) 分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数。5) 依照上述步骤测量Pb、Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。6) 测量Pb、Al对60Co的射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）的质量吸收系数（选做）。7) 利用Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数测Al片厚度。三实验数据与成果137Cs，电压U=669v，Al=2.7g/cm3, Pb=11.34g/cm3表格一：铝的吸收系数峰位（chn）半高宽（chn）净面积分辨率计数总计数率质量厚度（g/cm2）0片铝160.5114.72411359.17%280738900801片铝160.2615.27335069.83%23453377012.442片铝160.3515.20290269.48%20033089904.903片铝160.32150.07239999.40%16862857627.374片铝160.3014.98200499.3486对上述数据进行两两分组，这样可以得到10组数据，通过计算可得到10个的值。计算吸收系数公式为：一片铝0.2270.1580.2080.195两片铝0.1920.1830.201三片铝0.1970.187四片铝0.197平均值=0.1945表格二：铅的吸收系数峰位（chn）半高宽（chn）净面积分辨率计数总计数率质量厚度（g/cm2）0片铅160.5114.72411359.17%280738900801片铅160.3614.84331509.26%22052788652.012片铅160.3215.05266199.38063片铅160.3315.17205499.46174片铅160.5414.59165699.31%11801624908.29对上述数据进行两两分组，这样可以得到10组数据，通过计算可得到10个的值。计算吸收系数公式为：一片铅1.21