射线的吸收与物质吸收系数的测定2

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1、实验三γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定一．实验目的1．了解γ射线与物质相互作用的特性2．了解窄束γ射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数二．实验内容1.测量137Cs的γ射线（取0.661MeV光电峰）在一组吸收片（铅、铜或铝）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。2.测量60Co的γ射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）在一组吸收片（铅或铜）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。3.根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。三．原理γ辐射是处于激发态原子核损失能量的最显

2、著方式，γ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和质量数A均保持不变的退激发过程。带电粒子(a或b粒子等)在一连串的多次电离和激发事件中不断地损失其能量，而γ射线与物质的相互作用却在单次事件中便能导致完全的吸收或散射。简单地说，光子(γ射线)会与下列带电体发生相互作用：1）被束缚在原子中的电子；2）自由电子(单个电子)；3）库仑场(核或电子的)；4）核子(单个核子或整个核)。这些类型的相互作用可以导致下列三种效应中的一种：1）光子的完全吸收；2）弹性散射；3）非弹性散射。因此从理论上讲，γ射线可能的吸收和散射有12种过程，但在从约10

3、KeV到约10MeV范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种：·低能时以光电效应为主。一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；核电子用其能量的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能；·光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量可损失也可不损失。当光子的能量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，即所谓的康普顿效应，光子能量在1MeV左右时，这是主要的相互作用方式；·若入射光子的能量超过1.02MeV，则电子对的生成成为可能。在带电粒子的库仑

4、场中，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)。光电效应康普顿效应电子对效应-6-从上面的讨论可以清楚地看到，当γ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；γ射线一旦与吸收物质原子发生这三种相互作用，原来能量为hu的光子就消失，或散射后能量改变、并偏离原来的入射方向；总之，一旦发生相互作用，就从原来的入射γ束中移去。γ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

5、逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；γ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γ射线对物质的穿透情况。本实验研究的主要是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ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

6、束γ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γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即（3—1）其中，I0、I分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm），σr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，μ是物质的线性吸收系数（μ=σrN，单位为cm）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。需要说明的是，吸收系数μ是物质的原子序数Z和γ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）。γ射线与物

7、质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量Eg和吸收物质的原子序数Z而改变。γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ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（3—1）式可表达为（3—2）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g射线强度I成正比，又对（3—2）式取对数得：（3—3）-6-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（3—4）物质对g射线的吸收能力也经

8、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：（3—5