2-4 物质对伽马射线的吸收 实验报告

物质对伽马射线的吸收

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近代物理实验报告

指导教师：

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

得分：

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。

物质对伽马射线的吸收

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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)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/??2

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.

物质对伽马射线的吸收

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并且可以从这条直线的斜率求出??InN2?InN1? ?Rm2?Rm1In2?0.693

而物质对射线的吸收也可用“半吸收厚度”表示，记作d1/2???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。

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 1.4 1.5 1.6 2

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。

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物质对伽马射线的吸收

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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 Al样品： R/g*cm-2 N ln(N) Lf,Rf

Pb样品： R/g*cm-2 N ln(N) Lf,Rf 吸收系数的计算： 1. Al样品 1.1 作图法计算

0 6346 8.75558 560,707 2.48 4801 8.47658 553,707 4.96 4143 8.329175 564,706 7.43 3353 8.117611 572,708 9.89 2970 7.996317 548,676 0 6346 8.75558 560,707 1.86 5198 8.556029 560,701 3.61 4217 8.346879 561,705 5.38 3570 8.180321 552,691 7.23 2785 7.932003 593,730 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

物质对伽马射线的吸收

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1.2 最小二乘法计算

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 N 1 2 3 4 5 SUM y' 0 -0.279 -0.4264 -0.63797 x*y 0 -0.69192 -2.11497 -4.74011 x^2 0 6.1504 24.6016 55.2049 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?-0.75926 -7.50911 97.8121 -15.0561 183.769 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

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