伽马射线吸收系数的测量

γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定

初阳学院综合理科081班马甲帅08800140

指导老师林根金

摘要：

本实验研究的主要是窄束γ射线在金属物质中的吸收规律。测量γ射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。通过对γ射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的面密度，厚度等因素有关。根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。

关键词：γ射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源

引言：γ射线首先由法国科学家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射线具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。γ射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的γ射线与物质的相互作用效果不同，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对γ射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。

正文

1实验原理

1.1 γ射线与带电体的作用原理

γ射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，γ射线可能的吸收核散射有12种过程。这些效应所释放的能量在10KeV到10MeV之间的只有三种，也就是基本上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是：

1.1.1光电效应：

低能γ光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。

1.1.2 康普顿效应：

γ光子还可以被原子或单个电子散射，当γ光子的能量（约在1MeV）大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，发生康普顿效应。

1.1.3 电子对效应：

若入射光子的能量超过1.02MeV，γ光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、负电子对，产生的电子对总动能等于γ光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV)

1.2 三种γ射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对γ射线的吸收规律如下：

1.2.1作用特点：γ射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量

转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；γ射线穿过物质时，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γ射线对物质的穿透情况。

1.2.2吸收规律：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”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”，即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。

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 （2—1）

其中，I 0、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=σr N ，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。

需要说明的是，吸收系数μ是物质的原子序数Z 和γ射线能量的函数，且：

p c ph μμμμ++=

式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：

5Z ph ∝μ、Z c ∝μ、2Z p ∝μ（Z 为物质的原子序数）。γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量E γ和吸收物质的原子序数Z 而改变。γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的线性关系。

实际工作中常用质量厚度R m （g/cm 2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（3—1）式可表达为

ρμ/0)(R m e

I R I -= （2—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（3—2）式取对数得：

（2—3） 由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。ρμ/m 可以从这条直线的斜率求出，即

（2—4）

除吸收系数μ外，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：

μμ693.02ln 2/1==d （2—5）

2实验装置

2.1实验器材

①γ放射源137Cs 和60Co(强度≈1.5微居里)；②200μmAl 窗NaI(Tl)闪烁探头；

③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；④Pb 、Cu 、Al 吸收片若干；微机。

2.2实验装置连接方式

ln ln m N R N

μρ=-+1

212ln ln R R N N m --=-ρμ