得分教师签名批改日期深圳大学实验报告
课程名称：近代物理实验
实验名称：γ射线的吸收
与物质吸收系数μ的测定
学院：物理科学与技术学院
专业：
组号：指导教师：
报告人：学号：
实验地点
实验时间：
实验报告提交时间：
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（0.661MeV光电峰）在一组吸收片（铅、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．根据测到的的吸收系数计算材料的厚度。
三、实验原理：
γ辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，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(α或β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10KeV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)。
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hυ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
x Nx e I e I I r μσ--==00 （2—1）
其中，I 0、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=σr N ，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：
p c ph μμμμ++=
式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：5Z ph ∝μ、Z c ∝μ、2Z p ∝μ（Z 为物质的原子序数）。γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量E γ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。下图给出了铅对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R m （g/cm 2）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：ρμ/0)(R m e I R I -= （2—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γ射线强度I 成正比，又对（3—2）式取对数得： 0ln ln N R N m +-=ρμ （2—3） 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，如图所示。ρμ/m 可以从这条直线的斜率求出，即
1
212ln ln R R N N m --=-ρμ （2—4）
物质对γ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γ射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：
μμ693
.02ln 21==d （2—5）
四．实验仪器装置
实验器材：①γ放射源137Cs(强度≈1.5微居里)；②200μmAl 窗NaI(Tl)闪烁探头；③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；④Pb 、Al 吸收片若干。
做γ射线吸收实验的一般做法是如上图（a ）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去γ射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录。
本实验中，在γ源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（φ3⨯12mm ），基本达到使γ射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲分析器测γ能谱，就可起到去除γ射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装置就可如上图（b ）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比拟的优点，但它需要用多道分析器，在一般的情况下，显得有点大材小用，但在本实验中这样安排，可以说是充分利用现有的实验条件。
五．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
137Cs 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γ射线70%以上），进行定时测量（建议t=900秒），并存下实验谱图。
3． 将137Cs 放射源的鉛罐盖子盖上，测量鉛罐盖子对射线的吸收情况。
4． 计算所要研究的光电峰净面积A i =A g -A b ，这样求出的A i 就对应公式中的I i 、N i 。
5． 分别用作图法和最小二乘法计算Pb 、Al 吸收片材料对
137Cs 的γ射线（取0.661MeV 光电峰）的质量吸收系数。
6． 利用Pb 对137Cs 的γ射线（取0.661MeV 光电峰）的质量吸收系数估测放射源保护铅罐的
盖子厚度。
