2-4 物质对伽马射线的吸收 实验报告

近代物理实验报告

指导教师：

得分：

实验时间： 2009 年 12 月 14 日， 第 十六 周， 周 一 ， 第 5-8 节

实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜

同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙

实验地点： 综合楼 507

实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压

实验题目： 物质对伽马射线的吸收

实验仪器：（注明规格和型号）

射线放射源；闪烁探头；高压电源；放大器；多道脉冲幅度分析器；吸收片若干。 仪器组成如下图所示：

实验目的：

1. 了解掌握射线与物质相互作用的性质和特点 2. 学习掌握物质对射线的吸收规律 3. 测量射线在不同物质中的吸收系数

实验原理简述：

当原子核发生 和 衰变时，通常衰变到原子核的激发态，由于处于激发态的原子核是不稳定的，它要向低激发态跃迁，同时往往放出 光子，这一现象称为 衰变。 光子会与下列带电体发生相互作用，

原子中的束缚电子，自由电子，库伦场及核子。

这些类型的相互作用可以导致下列三种过程的一种发生：光子完全吸收、弹性散射、非弹性散射。如右所示为为 射线与物质相互作用的示意图

图中的三种状况分别为： 1. 低能时以光电效应为主。

2. 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。 3. 若入射光子的能量超过1.02MeV，则电子对的生成成为可能

从上面的讨论可以清楚地看到，当 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能量损失， 射线一旦与吸收物质原子发生这三种相互作用，原来能量为的光子就消失，或散射后能量改变、偏离原来的入射方向；总之，一旦发生相互作用，就从原来的入射束中移去。 射线穿过物质是，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 射线对物质的穿透情况。

本实验研究的主要是窄束 射线在物质中的吸收规律。所谓窄束 射线是指不包括散射成分的射线束通过吸收后的光子，仅由未经相互作用或未经碰撞的光子组成。射线束有一定宽度，只要没有散射光子，就可称之为“窄束”。

射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即I I0e x

I和I0分别是穿透物质前后的 射线强度；x是 射线穿过物质的厚度是光电、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； 是物质的吸收系数， 反映了物质吸 收射线能力的大小， 并且可以分解成这样几项：

ph c p

射线与物质相互作用的三种效应的截面都随入射 射

线的能量E 和吸收物质的原子序数Z而改变。 如右所示， 图中给出了铅对 射线的吸收系数与 射线能量的线性关系图。

实际中通常用质量厚度Rm x(g cm 2)来表示吸收体的厚度，以消除密度的影响， 则射线强度的表达式修改为：I(Rm) I0e Rm/

计数率N总是与该时刻的射线强度成正比，因此可得：

InN

Rm InN0

将对数形式的吸收曲线表达为图像， 得到这样的一条直线， 如右图所示.

并且可以从这条直线的斜率求出

InN2 InN1

Rm2 Rm1

而物质对射线的吸收也可用“半吸收厚度”表示，记作d1/2

In2

0.693

实验步骤简述： 1 准备

1.1 在教师指导下，熟悉整套实验装置。

1.2 检查仪器线路连接是否正确。开启总电源，开启计算机。

1.3 放大盒前面板的HV钮反时针扭转到最小，开通放大盒电路，慢慢顺时针转动HV钮，按放大盒

面板上的HV值加高压。稳定15min。

1.4 1.5 1.6 2

取下放射源137Cs一枚。

打开并放好放射源137Cs，探测器对准放射源。

熟悉计算机软件的使用。

测量铝对 射线的吸收 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

在闪烁探测器和放射源之间加上4片已知质量厚度的铝吸收片。

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。 启动计数器，探测到设定时间。

记录峰道值和峰的“净面积“；记录吸收片的总质量厚度。

依次一片片取下铝吸收片，重复2.3和2.4，测量3片、2片、1片和没有铝片时 对射线的吸

3

收。

测量铅对射线的吸收

3.1 将铝片换成铅片，重复步骤2全部，测量铅对 射线的吸收。

结束实验

4.1 关闭计算机。

4.2 慢慢旋转放大盒前面板上的HV钮反时针扭转到最小。电压降为0后，关闭放大盒电源。 4.3 将全部放射源放回库房，关闭总电源。

4.4 充分吸收后，结束本次实验。经教师同意后，可以离开实验室。

4

原始数据、 数据处理及误差计算：

实验中获得的原始数据如下， 其中峰净面积已经由软件自动按照TPA法计算完成

吸收系数的计算： 1. Al样品 1.1 作图法计算

由于有关系式InN

Rm InN0存在， 以lnN为应变量， 质量厚度R为自变量， 则函数图像的

斜率k

将lnN和R画出函数图像， 如下所示：

从图中取两个点， 可以读出直线的斜率为k1=-0.08015

从获得的实验数据看， 曲线的拟合方程必然是一个y轴截距>0， 而斜率<0的直线方程 而实验数据中包含截距值， 故将每一个y值减去截距， 使的直线变为过原点的形式， 以简化而计算斜率。 计算斜率的公式为如右所示： 过程量如下所示

得到最终的拟合斜率值为k1’=-0.08139

又吸收系数 k ， 其中Al的密度为2.7g.cm-3

可以得到， 由作图法得到的吸收系数值为μ=0.216405 而通过最小二乘法得到的吸收系数值为 μ’=0.219753 取两者的平均值，μ’’=0.218079 得到半吸收厚度d1/2Al

In2

0.693

3.1777cm

2. Pb样品（与Al样品的计算处理方法相同， 故文字说明略， 只留计算部分） 2.1 作图法计算

从图中取两个点， 可以读出直线的斜率为k2=-0.1125

得到最终的拟合斜率值为k1’= -0.11151

又吸收系数 k ， 其中Pb的密度为11.3g.cm-3 可以得到， 由作图法得到的吸收系数值为μ=1.27125 而通过最小二乘法得到的吸收系数值为 μ’=1.260063 取两者的平均值，μ’’=1.23628 得到半吸收厚度d1/2Pb

In2

0.693

0.56055cm

思考题， 实验感想， 疑问与建议：

1. 什么叫γ吸收？ 为什么说γ射线通过物质时没有射程的概念？ 谈谈对γ涉嫌与物质相互作用机制的

认识。

当γ射线穿过物质时，与物质作用发生光电效应、康普顿效应和电子对效应（当γ射线的能量大于1.02MeV），γ射线损失其能量，γ射线与物质的原子一旦发生上述三种相互作用，原来为Eγ的光子就消失，或散射后能量改变并偏离原来的入射方向。γ射线通过物质时其强度会逐渐减弱，这种现象称为γ射线的吸收。 因为γ射线穿过物质时， 强度逐渐减弱， 按照指数规律衰减； 而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， 因而没有射程的概念可言。

γ射线与物质相互作用的实质， 就是其光子与物质的原子及电子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。

2. 通过对几种不同物质的吸收系数计算， 谈谈在辐射的屏蔽防护方面材料选择的问题。

由实验的计算结果可见， Pb的半吸收厚度远小于Al， 说明Pb的吸收能力比Al强， 可以推测可能存在这样的规律， 原子量越大的元素作为吸收材料时， 对射线的吸收能力越好。 因此防护射线时应当使用重金属材料， 实际生活中常用的是铅板。 3. 物质对γ射线的吸收系数与哪些因素有关？

根据吸收系数的表达式， 可以看出， 吸收系数和入射γ射线的能量， 以及吸收物质的原子序数有关。

4. 分析三种不同的本底扣除方法对实验结果误差的影响及原因。

4.1 TPA法， 以直线扣除本底， 该方法下最终实验结果的误差受到本地扣除和峰面积的影响较大， 应为将两边边界只能较大一部分的不属于光电效应峰的计数值作为峰值计入了最终的峰面积。

4.2 Covell法。 这种方法在峰的前后沿上去对称地选取边界道， 并连接以直线， 将直线一下的面积作为本底值扣除。 这样的方法对最终结果的误差影响比TPA法要小， 但是与边界道的选取很有关系， 因此也存在一定的不准确度。

4.3 Wasson法， 这种方法可以认为是TPA和Covell法的综合， 相比于前两者， 提高了峰面积与本底

值的比值的准确度， 但是受到分辨率的影响较大。

5. 实验感想与体会。

通过本次试验， 我较好地了解了γ射线通过物质时相互作用和吸收的基本原理及其性质。 并且认识到了γ射线和其他两种射线的物质作用性质不同之处。

另外， 该实验中， 避开了不易测量的射线强度/能量， 而转为测量不同能量值上的光子计数， 是的试样的操作过程变得简单， 而通过后期的数学计算来获得最终的结果。 思路巧妙， 值得借鉴。 原始记录及图表粘贴处：（见附页）

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