近代物理实验报告
γ射线的吸收与物质吸收系数测定
学院数理与信息工程学院
班级光信081班
姓名陈亮
学号08620114
时间2011年04月27日
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
班级：光信081 姓名：陈亮学号：08620114
摘要：
学会NaI(Tl)单晶Υ闪烁体整套装置的操作、调整和使用；在此基础上测量137Cs和60Co 的Υ能谱，求出能量变化率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形；了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶Υ谱测量中的数据采集及其基本功能，在数据处理中包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等。通过测量137Cs和60Co的Υ射线的吸收曲线，研究Υ射线与物质（被束缚在原子中的电子、自有电子、库仑场、核子）相互作用的特性，了解窄束Υ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。
关键字：
Υ射线能谱物质吸收系数μ光电效应康普顿效应电子对效应
引言：
原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的
射线，将射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。
闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。
γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。
γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ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三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪（利用晶体对γ射线的衍射）直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的能量由原子核跃迁前后两能级的能量之差决定。由于γ射线的能量与原子核激发态的能级密切相关，因此，γ射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。
正文
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；
3．测量其在不同物质中的吸收系数。
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，其产生的原因主要有：①α、β衰变引起的副产品；②核反应；③基态激发。γ射线会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库仑场、核子等带电体发生相互作用，大部分作用是光电效应、康普顿效应、电子对效应中的一种。低能时以光电效应为主；当光子能量大大超过电子的结合能时，以康普顿效应为主；只有当入射光子能量超过1.02MeV，电子对的生成才成为可能。
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 （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。
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（1）式可表达为
ρ
μ/0)(R m e I R I -= （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（2）式取对数得：
0ln ln N R N m
+-
=ρμ （3）
若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。μm /ρ可以从这条直线的斜率求出，即
1
21
2ln ln R R N N m --=-
ρμ （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：
μ
μ
693
.02
ln 2
1=
=
d （5）
实验装置
①放射源137
Cs (强度≈2微居里)； ②200mmAl 窗NaI(Tl)闪烁探头；
③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器； ④Al 与Pb 吸收片若干 实验步骤：
测量137
Cs 的γ射线在Al 吸收片和Pb 吸收片中的吸收曲线，并根据实验数据求得线性吸收系数μ。
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，进行定时测量（t=300秒）；
3.分别记录片数n=0,1,2,3,4时的R 0、R 1、R 2、R 3、R 4所对应的光电峰计数N 0、N 1、N 2、N 3、N 4。
4.根据公式-μρ=lnN 2-lnN 1R 2-R 1得μ=-ρlnN 2-lnN 1
R 2-R 1计算吸收片材料的质量吸收系数μ01、μ02、μ03、
μ04、μ12、μ13、μ14、μ23、μ24、μ34。并求平均值μ。
5.依照上述步骤测量Al 和Pb 对137
Cs 的γ射线的质量吸收系数μAl 、μPb 。 6.整理仪器，经教师检查签字离开。
数据处理计算吸收系数μ
所用的放射性元素：137Cs，电压U=684，ρAl=2.7g/cm3,ρPb=11.34g/cm3
Al的吸收系数
组别 1 2 3 4 5 质量厚度（g/cm2）0 2.48 4.93 7.37 9.94 计数率869 765 709 666 630 峰位（chn）160.71 160.51 160.55 160.46 160.47
半高宽（chn）15.26 14.67 14.59 14.58 14.38 净面积27853 23741 19593 16359 13379
分辨率9.49% 9.14% 9.09% 9.08% 8.96%
计数1837 1634 1393 1182 1042
计算吸收系数公式为：
各组两两对应后代入公式μ的值
1 0.1314 0.1533 0.1627 0.1548
2 / 0.176
3 0.1789 0.1629
3 / / 0.1815 0.1563
4 / / / 0.1324
平均值-
μ=0.1591 cm-1
Pb的吸收系数
组别 1 2 3 4 5 质量厚度（g/cm2）0 2.08 4.16 6.26 8.36 计数率869 638 527 434 363 峰位（chn）160.71 160.45 161.02 160.65 160.9
半高宽（chn）15.26 15.41 14.84 14.84 14.78 净面积27853 23150 18410 14559 11578
分辨率9.49% 9.59% 9.22% 9.24% 9.19%
计数1837 1551 1209 965 828
组别 2 3 4 5
1 0.9386 1.1487 1.1731 1.0861
2 / 1.3587 1.2898 1.1350
3 / / 1.2215 1.0242
4 / / / 0.8269
平均值-
μ=1.1203 cm-1
实验分析与总结
1
2
ln
ln
R
R
N
N
m
-
-
=
-
ρ
μ
通过本次实验了解闪烁探测器的结构与原理，了解射线与物质相互作用的特性以及窄束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。另外通过这次实验对核技术有个初步的了解。
本次实验实验实现了对137Cs 和60
Co 的γ射线能谱的测量，但所得的实验结果存在一定的误差，通过差资料可能原因有：i)、闪烁体由于长期使用性能下降，使有效的闪烁次数减少；ii)、计数不够多，能谱峰值处的横向座标还不够稳定就读了数iii)、调节放大倍数的器件本身有仪器误差。
在吸收系数μ的测定的实验中所得的结果与理论值也存在这偏差，可能的原因有：i)、由于每次试验中探测器与放射源的距离都相等，这样导致每次试验过程中探测器与放射源之间的空气厚度不一样，由于空气对γ涉嫌也具有吸收能力，这样增加了实验的误差；ii)、在试验中Al 片与Pb 片的放置位置不是很规则，它们之间存在一定间隙，对实验结果产生影响；iii)、试验次数太少，导致偶然误差较大；iv ）、NaI(TI)闪烁晶体的发光效率受温度的影响，在不同的温度下，同样能量的γ射线打出的光子数会发生变化，其结果必然会影响实验的准确性。
在试验的过程中要特别注意人身安全。在实验过程中一定要小心拿取放置放射源，并时刻注意时刻注意射线的位置及其朝向。实验结束后必须注意把电压与放大系数调零，以避免下次开机电压过高造成损坏。 实验问题分析
1、 测定吸收系数时减少AL 或Pb 的块数时是否应将探头往里移动紧贴？
答：保持单一变量原则，在Al 与Pb 对比实验中不能改变探头与材料间距离，但单独做某一金属时需要尽量靠近以减少空气的影响。
2、 三块Pb ，其中一块厚度为10cm ，另两块用手紧压后厚度也为10cm ，两组分别测定
吸收系数其结果是否相同？
答：不同，用手简单压制，无法做到分子程度压制，其中必然存在空气，所以两材料实际不同，结果也不同。 3、 实验数据处理方法？ 答：利用公式：
1
21
2ln ln R R N N m --=-
ρμ（4）
其中N 可用（1）计数N 、（2）计数率N 、（3）净面积三种数据分别带入，产生三种结果，提高精度。