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1、物质对射线的吸收 实验目的：学习和掌握与物质对射线吸收的有关知识和实验方法，测量吸收曲线并求出射线的射程和最大能量。同时进一步加深对计数管、定标器等仪器的了解。实验原理：当一定能量的射线（即高速电子束）通过物质时，与该物质原子或原子核相互作用，由于能量损失，强度会逐渐减弱，即在物质中被吸收。电子与物质相互作用的机制主要有三种：第一，电子与物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，使原子激发或电离，电子以此种方式损失能量称为电离损失。电离损失的能量损失可由下式给出： （1）此式适用于非相对论情况，式中v为电子速度，N、Z、I分别为靶物质单位体积内的原子数、原子序数、平均激发能。由此看出，电离损失的能量与
2、入射电子的速度、物质的原子序数、原子的平均激发能等因素有关。第二，电子受物质原子核库仑场的作用而被加速，根据电磁理论作加速运动的带电粒子会发射电磁辐射，称为轫致辐射，使电子的部分能量以X射线的形式放出，称为辐射损失。这主要在能量较高的电子与物质相互作用时发生。辐射损失 （2）式中m、E分别为入射电子的质量、能量，Z、N分别为靶物质的原子序数和单位体积中的原子数。由式（2）可以看出，射线在物质中的辐射损失与物质的Z2成正比，与入射电子的能量成正比。比较（1）、（2）两式，可粗略看出入射电子的能量较低时，电离损失占优势，当电子能量较高时辐射损失占优势。除以上两种能量损失外，射线在物质中与原子核的库
3、仑场发生弹性散射，使粒子改变运动方向，因电子质量小，可能发生比较大角度的散射，还可能发生多次散射，因而偏离原射束方向，使入射方向上的射线强度减弱，这种机制成为多次散射。如果散射角超过90，这种散射称为反散射。射线通过物质时主要以上述三种相互作用方式损失能量使强度减弱。发生三种相互作用的概率与粒子的能量、吸收物质的原子序数等因素有关。考虑一束初始强度为I0的单能电子束，当穿过厚度为x的物质时，强度减弱为I，其示意图见图4.3.2-1。强度I随厚度x的增加而减小且服从指数规律，可表示为 （3）式中是该物质的线性吸收系数。实验指出，不同物质的线性吸收系数有很大的差别，但随原子序数Z的增加，质量吸收系
4、数（是该物质的密度）却只是缓慢地变化，因而常用质量厚度来代替线性厚度x，于是式（3）变为 （4）原子核衰变放出高速电子的同时，还放出中微子，因此放出的电子并不是单一能量的，而是具有各种能量分布的连续能谱，因此射线的吸收曲线并不精确地服从指数规律，图4.3.2-2是典型的衰变的能谱图。从图中可以看出，有一最大能量Emax，不同的核发生衰变时，放出的电子能谱的Emax值不同，常以Emax代表射线的特征能量。某些放射性核素会同时发射几种最大能量不同的射线，这就会使实验得到的吸收曲线更为复杂，一般如图4.3.2-3所示。放射性核素衰变还可能伴随射线，加之轫致辐射的影响，伴有X射线，使吸收曲线的尾部偏离
5、指数规律，如图4.3.2-3中的（b）、（c）所示。具有一定最大能量的射线，在具有一定吸收系数的物质中所能穿过的最大厚度，称为该射线在该物质中的最大射程。通常定义通过吸收物质后，射线强度降低到时，所对应的吸收物质厚度d即为射线的射程R。在实际测量中吸收曲线的尾部由于射线和轫致辐射的存在而变平，因此只能根据曲线变平之前的下降趋势按直线外推至处，从而得到射线的射程R。射线的射程与射线的最大能量之间，有经验公式相联系，如吸收物质是铝，则当射程时， （5）式中E为射线的最大能量，单位为MeV。当用质量厚度表示射程R时，对于原子序数相近的物质，射程也近似相同。公式（5）不仅对铝适用，对那些原子序数与铝相
6、近的物质也是适用的。图4.3.2-4给出射线的射程R与其能量E之间的关系曲线，通过该曲线也可由射程求出对应的能量，或由射线的能量找出对应的射程。该图的坐标轴均取对数坐标。数据处理：实验内容与数据处理：1.相应参数薄片质量：557.78mg，厚片质量：3550mg薄片：长cm6.506.40宽cm4.804.90质量厚度：17.83mg/cm2厚片：长cm6.106.00宽cm4.804.90质量厚度：120.98mg/cm22. 测量对应于不同厚度铝箔的射线强度。本底记数：89（300s）序号间隔时间/s记数每秒记数减去本底类型 质量厚度1103978397.5无02206845 342.01
7、薄片17.833206290 314.22薄片35.664205859 292.63薄片53.495205419 270.6 4薄片71.326204957 247.65薄片89.157204547227.06薄片106.898204315 215.47薄片124.819204037 201.68薄片142.6410202662 132.88薄片1厚片263.6211202512 125.39薄片1厚片281.4512202265 123.010薄片1厚片299.2813202086 104.011薄片1厚片317.1114201167 58.011薄片2厚片438.091520548 27.
8、111薄片3厚片559.071660670 10.911薄片4厚片680.05172008383.911薄片5厚片801.0318500747 1.211薄片6厚片922.0119600705 0.87512薄片6厚片939.8420600612 0.7213薄片6厚片957.6721800683 0.5514薄片6厚片975.50a.用以上数据作图，从线性拟合后的数据可得 Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameterValueError-A0.297020.12621B-0.006442.44092E-4-RSDNP-0.98663
9、0.38658210.0001-从线性拟合后的数据可得质量吸收系数0.0064b.用以上数据作图，横坐标为质量厚度，纵坐标为I/I0 c.由图可看出在纵坐标约为0.90.5处（箭头所指）密布着八个点，且在拐点处，用这八个点进行线性拟合Linear Regression for Data3_B:Y = A + B * XParameterValueError-A0.89250.01299B-0.002851.44292E-4-RSDNP-0.992410.0166780.0001-由图得R=313.16mg/cm2 =0.824Mev分析：由图4.3.2-4可得此数据基本符合图中曲线，由于实验过程中外界对实验的影响不可避免，且记数器本身存在误差，所以所得结果不可能完全符合实验规律。思考题1 在测量吸收曲线时，源、吸收物质、探测器等的相对位置和工作条件等是否可以改变？为什么？答：不可以。因为这些的改变就会造成前后数据的不一致，使实验结果不准确。2 为了更好地反映出吸收曲线的拐点，实验测量点密度应如何分配？答：计算好拐点的位置，在拐点处改为用薄片，增加测量密度。