γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
陈媛媛物理091班09180104
摘要：本实验主要目的验证窄束γ射线通过物质时其强度减弱遵循指数规律，测量γ射线在不同厚度的铅或铜或铝中的吸收系数。通过对γ射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的密度，厚度等因素有关。
关键字：窄束γ射线吸收系数吸收特性
引言
由于射线与物质的相互作用，使射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。本实验是要学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性，并且测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。
而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和质数A 均保持不变的退激发过程。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”。
正文
一．实验原理
1.1γ射线与物质的作用
γ射线是由于原子核由激发态到较低的激发态退激（而原子序数Z和质量数A均保持不变）的过程中产生的，包括：（1）α或β衰变的副产品（2）核反应（3）基态激发三部分，是处于激发态原子核损失能量的最显著方式；由于γ射线具不带电、静止质量为0等特点决定了它同物质的作用方式与带电粒子不同，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完全吸收或散射。光子γ(γ射线)通过物体时会与其中的下述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：光子的完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种效应中
的一种（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）表现为：
光电效应：
低能γ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。 (光电效应)
康普顿效应：
γ光子还可以被原子或单个电子散射，
当γ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。 (康普顿效应)
电子对效应：
若入射光子的能量超过1.02MeV ，
γ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γ光子能量减去这两个电子
的静止质量能(2mc 2=1.022MeV) (电子对效应)
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
γ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h ν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。
1.2物质对γ射线的吸收规律
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γγ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。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：
（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，如右图所示。ρμ/m 可以从这条直线的斜率求出，即
（2—4）
ln ln m N R N
μρ=-+1212ln ln R R N N m --=-ρμ
除吸收系数μ外，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 2/1==d （2—5）
二．实验目的
a) 了解γ射线与物质相互作用的特性。
b) 了解窄束γ射线在物质中的吸收规律以及测量其在不同物质中的吸收系数。
三．实验器材
①γ放射源137Cs 和60Co(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 、Cu 、Al 吸收片若干；微机。
四．实验步骤和内容
4.1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γ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A i =A g -A b ，这样求出的A i 就对应公式中的I i 、N i 。
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γ射线（取0.661MeV 光电峰）的质量吸收系数。
