射线的吸收与物质吸收系数的测定

实验九γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验目的

1．了解γ射线与物质相互作用的特性

2．了解窄束γ射线在物质中的吸收规律

3．测量其在不同物质中的吸收系数

实验原理

一、γ射线与物质的作用

γ射线是由于原子核由激发态到较低的激发态退激（而原子序数Z和质量数A均保持不变）的过程中产生的，包括：（1）α或β衰变的副产品（2）核反应（3）基态激发三部分，是处于激发态原子核损失能量的最显著方式；由于γ射线具不带电、静止质量为0等特点决定了它同物质的作用方式与带电粒子不同，带电粒子(α或β粒子等)在一连串的多次电离和激发事件中不断地损失其能量，而γ射线与物质的相互作用却在单次事件中完全吸收或散射。光子γ(γ射线)通过物体时会与其中的下述带电体发生相互作用：

1）被束缚在原子中的电子；

2）自由电子(单个电子)；

3）库仑场(核或电子的)；

4）核子(单个核子或整个核)。

这些类型的相互作用可以导致：光子的完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种效应中的一种（在从约10KeV到约10MeV范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种）表现为：

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。(光电效应)

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。(康普顿效应) 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) (电子对效应)

从上面的讨论可以清楚地看到，当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原

γ子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量；γ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hν的光子就消失，或散射后能量改变、并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γ束中移去。

二、物质对γ射线的吸收规律：

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。

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 （3—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γγ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

ρ

μ/0)(R m e

I R I -= （3—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：

0ln ln N R N m

+-

=ρ

μ （3—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

1

21

2ln ln R R N N m --=-

ρμ （3—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：

μ

μ

693

.02

ln 2

1=

=

d （3—5）

实验仪器装置

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。