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1、物质对射线的吸收 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
2、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
3、，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。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
4、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
5、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。实验内容先测量本底计数。加入放射源后，先不加金属片时计数先加薄片，一片一片直到加到89片为止再加厚片
6、89片最后加23片薄片，每次测量计数前将金属片的面积量出。数据处理1.在时间300s，电压1400V时测量本底计数为48。2.加入放射源后的测量。 （1）不加入金属片时测量计数 （2）加入金属片时计数。面积厚度的计算：薄片的质量：557.78mg，厚片的质量：3550mg列表如下：金属片面积()时间(s)计数值面积厚度（）转换成10s计数 薄片5.11*6.5510468016.6646800.848595-0.16417薄片4.92*6.4010425134.3742510.770807-0.26032薄片5.00*6.5010376851.5337680.683228-0.38093薄片4
7、.90*6.4010331269.3233120.600544-0.50992薄片4.90*6.6010304286.5730420.551587-0.59496薄片4.85*6.20102900105.1229000.525839-0.64276薄片4.85*6.50102618122.8126180.474705-0.74506薄片4.70*6.30204739141.652369.50.429646-0.84479薄片4.80*6.10204466160.7022330.404896-0.90413薄片105.00*6.50204099177.862049.50.371623-0.989
8、88薄片114.60*6.20203979197.421989.50.360743-1.01959薄片124.70*6.30203616216.2618080.327833-1.11525厚片5.10*6.00404365332.271091.250.197869-1.62015厚片5.10*6.10502899446.38579.80.105131-2.25254厚片5.20*6.00902460560.16273.33330.049562-3.00453厚片4.95*6.002002344679.69117.20.021251-3.85135厚片5.30*6.004001703791.33
9、42.5750.00772-4.86396厚片5.20*5.907001254907.0417.914290.003248-5.72963厚片5.10*6.008005981023.057.4750.001355-6.60366厚片5.20*6.008005421136.836.7750.001228-6.70199薄片136.30*4.708005371155.676.71250.001217-6.71126薄片144.80*6.258005351174.266.68750.001213-6.71499由上表测出铝片的吸收曲线如下：由指数衰减拟合的结果知： 而理论值应当为： 比较知，实验结果
10、与理论值符合的较好。且可以得出铝片的线性吸收系数为： 在半对数坐标纸上绘图如下：线性拟合过程如下：2007-5-24 02:06 /Graph2 (2454244)Linear Regression for Data2_B:Y = A + B * XParameterValueError-A0.043270.07002B-0.005961.17643E-4-RSDNP-0.996130.22371220.0001在拟合所得的直线y=0.04327-0.00596x 中令 y=ln0.0001可得出最大射程为：R=678.4 根据经验公式得出E=1.500MeV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：不可以改变。吸收曲线的测量与拟合一定要保持环境的一致，一旦改变环境吸收曲线的拟合便会出现误差，无法得出准确的结论。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：由于，吸收曲线 的拐点在质量厚度比较大和比较小的时候出现，故在开始时应该测量比较密的点，厚度较大时也应该测量比较密的点。反应在本实验中就是在开始加89片铝片时，先加薄片，这样由于其质量厚度较小就会得出较密的点；然后再加厚片，当质量厚度超过1000时，再加薄片，这样才能保证在两端的实验点比较密集。