伽马射线与物质相互作用
伽马粒子相互作用实验证据及分析
伽马粒子相互作用实验证据及分析引言：伽马粒子，也被称为光子，是电磁相互作用中的载波，其具有无质量、自旋为1、不带电荷等特征。
伽马粒子在物理学研究中扮演着重要的角色，了解其相互作用及实验证据的分析对于理解基本粒子行为有着重要意义。
本文将就伽马粒子相互作用的实验证据进行详细讨论及分析。
一、实验证据一：康普顿散射实验康普顿散射实验为研究伽马粒子与物质相互作用的重要实验。
该实验通过观察伽马射线与物质发生散射后的能量变化，验证了康普顿效应。
在康普顿散射实验中，将一束伽马射线照射到碳或铝等材料上，观察散射射线的能谱。
实验证明，伽马射线与物质发生散射后，能量发生偏移，这一现象可以用康普顿效应来解释：伽马射线与物质中的自由电子发生碰撞，动量和能量交换，使得入射伽马射线能量发生了减少或增加的变化。
这一实验证据表明，伽马粒子与物质中的电子发生相互作用，进一步验证了伽马粒子的相互作用特性。
二、实验证据二：伽马射线的康普顿散射实验为了进一步验证康普顿效应，科学家进行了伽马射线的康普顿散射实验。
这一实验通过测量散射角度和散射后的伽马射线能量，得到了与康普顿散射理论相符的结果。
实验中，用一束碘-125放射源照射到铝靶上，通过测量散射光子在不同角度下的能谱，得到了康普顿散射光子能谱的数据。
实验证明，散射光子的能量与散射角度呈反比关系，这与康普顿散射理论的预测相符。
这一实验证据进一步验证了伽马粒子与物质相互作用中的康普顿效应，并提供了对伽马射线能量和角度关系的实验支持。
三、实验证据三：皮卡德衰变实验皮卡德衰变是指由伽马射线通过自发衰变转变为电子-正电子对，这一实验为研究伽马粒子相互作用提供了重要证据。
在实验中，科学家在伽马射线源附近引入透明的铝箔，观察到光亮的闪光，表明伽马射线与铝箔相互作用产生了电子-正电子对。
进一步实验证明，这一现象可以用皮卡德衰变理论来解释：伽马射线通过与原子核或电子发生相互作用，能量转化为电子-正电子对的质量。
伽马射线与物质的相互作用
伽马射线与物质的相互作用
嘿，朋友们！今天咱来聊聊伽马射线与物质的相互作用，这可真是个神奇又有趣的事儿啊！
你想想看，伽马射线就像个神秘的小精灵，到处乱窜。
它一旦碰到物质，那可就有好戏看啦！这就好比一个调皮的孩子跑进了一个摆满各种玩具的房间。
当伽马射线和物质相遇的时候，会发生好多事情呢！有时候，它会直接穿透过去，就好像一个短跑选手，嗖的一下就冲过去了，啥也阻挡不了它。
但有时候呢，它又会和物质发生一些奇妙的反应，就像两个小伙伴见面后开始玩耍起来。
比如说光电效应，这就像是伽马射线和物质来了一场特别的“拥抱”，伽马射线把自己的能量传递给了物质，让物质发生了变化。
这多有意思啊！还有康普顿散射，就好像伽马射线和物质来了一场小小的“碰撞游戏”，结果双方都改变了方向。
咱生活中也有伽马射线的身影呢！医院里的一些检查设备不就用到它了嘛。
这就像是给我们身体这个大“城堡”做检查的小侦探，能发现一些我们自己都不知道的问题。
伽马射线的能量可是很大的哟，要是不小心被它“盯上”了，那可不得了。
但我们人类多聪明啊，知道怎么利用它的优点，避开它的缺点。
这就跟我们交朋友一样，要看到朋友的优点，也知道怎么和朋友相处，让彼此都开心。
那我们怎么才能更好地了解伽马射线与物质的相互作用呢？这就需要科学家们不断地研究啦！他们就像一群勇敢的探险家，在这个神秘的领域里不断探索，为我们揭开更多的秘密。
总之，伽马射线与物质的相互作用充满了神秘和惊喜。
它就像一个隐藏在我们身边的魔法，等待着我们去发现和探索。
我们可不能小瞧了它呀，说不定哪天它就能给我们带来意想不到的大惊喜呢！难道不是吗？。
测井解释之孔隙度测井
判断气层：在密度测井探测范围内存在天然 气时，由于天然气密度小，且与水或油的密度有显 著的差异，因此，在密度曲线上气层显示为较低的 密度值。
二、补偿密度测井
3、密度测井资料的应用
• 康普顿吸收系数简化为：
k • b
k
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e
N
A
Z A
为常数。
一、伽马射线与物质的作用
3、光电效应
低能量的伽马光子与原子核外的电子相互作用 时，把全部能量传给电子，使电子脱离电子壳层成 为自由电子（光电子），伽马光子本身消失（被吸 收），这种效应称为光电效应。
二、补偿密度测井
1、岩石的体积密度
每立方厘米（单位体积）体积岩石的质量， 叫做岩石的体积密度；单位：g/cm3 。
类似于物质的密度：
岩石质量 铜8.9
b 岩石体积 铁7.8
铝2.7
金钢石3.5
二、补偿密度测井
1、岩石的体积密度
密度是物质的基本物理属性之一。 不同岩石的体积密度不同，可以根据体积密度的变
化来识别岩性。
石英：2.65；方解石：2.71；白云石：2.87
通过岩石体积密度的变化来求取孔隙度。岩石体积 密度与孔隙度的关系：
测井解释之
孔隙度测井
一、伽马射线与物质的作用 二、补偿密度测井 三、岩性密度测井
密度测井
根据伽马射线与地层介质的康普顿效 应测定地层密度的测井方法称密度测井， 利用伽马射线的光电效应和康普顿效应测 量地层的岩性和密度的测井方法称岩性密 度测井。
密度测井属于孔隙度测井系列。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式γ射线是一种高能电磁波，具有极强的穿透能力，能够与物质相互作用。
下面将介绍γ射线与物质相互作用的三种主要方式。
第一种方式是光电效应。
当γ射线与物质相互作用时，它的能量可以被物质中的原子吸收，使得原子中的电子被激发或者被电离。
这种现象被称为光电效应。
在光电效应中，γ射线的能量被转移给物质中的电子，从而使得电子获得足够的能量逃离原子，形成电子-空穴对。
光电效应在医学影像学中广泛应用，例如X射线摄影。
第二种方式是康普顿散射。
康普顿散射是指γ射线与物质中的电子相互作用后改变方向和能量的过程。
当γ射线与物质中的电子碰撞时，它会转移一部分能量给电子，使得γ射线的方向发生改变。
这种散射过程不仅改变了γ射线的方向，还使γ射线的能量降低。
康普顿散射在射线治疗和核物理实验中有重要应用。
第三种方式是伽马射线的光电效应。
在高能γ射线与物质相互作用时，γ射线的能量可以被原子核吸收，从而使得原子核发生电离或激发。
这种现象被称为伽马射线的光电效应。
伽马射线的光电效应在核物理实验中经常被用来研究原子核的结构和性质。
除了上述三种方式，γ射线还可以通过康普顿散射与电子发生相互作用，产生正负电子对。
这种过程称为产生电子对。
产生电子对是一种重要的能量损失机制，在高能物理实验中起着重要的作用。
γ射线与物质相互作用的三种方式分别是光电效应、康普顿散射和伽马射线的光电效应。
这些相互作用过程在医学影像学、射线治疗和核物理实验中都有广泛应用。
通过深入研究γ射线与物质的相互作用，可以更好地理解和利用γ射线的特性，推动相关领域的发展和进步。
大学课件-伽马射线与物质的相互作用
3. 康普顿效应(1/2) 定义
1923年康普顿发现X光与电子散射时波长会发生移动的
现象，称为康普顿效应。 入射光子与靶核原子核外电子发生非弹性碰撞，一部分 能量转移给电子，使之反冲出来（康普顿电子），而光子 的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子的现象。 外层电子可看成自由电子， 该效应可认为是光子与处于静止 状态的自由电子之间的弹性碰撞， 符合相对论的能量动量守恒。 入射光子与散射光子能量 h，h ' ;
康普顿效应覆盖能区最广
School of Nuclear Science and Technology
5.伽马射线的吸收(2/2)
定量分析
吸收物质单位体积原子数为N，在厚度t处的伽马射线强
度为I，通过dt薄层后，强度变为I-dI,有如下关系
dI I Ndt
射线强度衰减遵循指数规律
例子铅对伽马的吸收光电效应在低能区显著电子对效应在高能区显著康普顿效应覆盖能区最广定量分析吸收物质单位体积原子数为n在厚度t处的伽马射线强度为i通过dt薄层后强度变为idi有如下关系射线强度衰减遵循指数规律基本概念吸收截面线性吸收系数质量吸收系数表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率与吸收物质的密度有关与吸收物质的密度及物理状态无关更方便使用基本概念光电效应康普顿效应电子对效应基础知识三大效应发生的条件特点变化规律重点难点伽马射线与物质作用三大效应所涉及的物理过程截面线性吸收系数质量吸收系数伽马射线在物质中的吸收规律伽马射线在物质中吸收规律的定量分析谢谢各位老师敬请批评指正
与吸收物质的密度及物理状态无关，更方便使用
表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率 与吸收物质的密度有关
m m
伽马能谱仪测量原理
伽马能谱仪测量原理
伽马能谱仪的测量原理是利用伽马射线与物质的相互作用。
当伽马射线通过探测器系统时，会与物质中的原子核或电子发生相互作用，导致能量转移和释放。
探测器系统会将这些能量转化为电信号，并经过放大和处理后，转化为能谱图。
伽马射线在物质中的相互作用方式包括光电效应、康普顿散射和正负电子对产生等。
这些相互作用会导致伽马射线能量的改变和衰减，从而在能谱图中形成不同能量的峰值。
通过分析能谱图，可以确定伽马射线的能量特征和强度分布，进而推断出它们的来源和性质。
伽马能谱仪的测量原理还可以细分为以下步骤：
1.伽马射线进入探测器系统：伽马射线通过准直器或窗口进入探测器系统，准直器用于限制伽马射线的入射方向，窗口则用于限制伽马射线的能量范围。
2.伽马射线与物质的相互作用：伽马射线与探测器系统中的物质发生相互作用，导致能量转移和释放。
这种相互作用可以是光电效应、康普顿散射或正负电子对产生等。
3.电信号的产生和放大：在相互作用中，探测器系统将能量转化为电信号，这些电信号随后被放大并处理。
4.能谱图的获取：经过处理后的电信号被输送到多道分析器（Multichannel Analyzer），将电信号转化为能量值，从而获得能谱图。
5.能谱图的分析：通过对能谱图的分析，可以确定伽马射线的能量特征和强度分布。
根据不同的能量峰值，可以推断出伽马射线的来源和性质。
伽马能谱仪的测量原理是利用探测器系统对伽马射线进行测量和分析的关键。
通过对能谱图的分析，可以获得有关物质成分、能量分布和放射性活度等信息。
这种技术广泛应用于核物理、环境监测、考古学等领域。
伽马射线探测原理
伽马射线探测的原理主要是利用伽马射线与物质相互作用时产生的各种效应来进行检测和量化。
伽马射线是一种高能电磁辐射，其波长短、能量高，能够穿透许多种类的物质而不受电荷影响。
常见的伽马射线探测原理包括：
1.光电效应：当伽马射线与原子相互作用时，它可以将原子内层的一个电子
完全击出，这个过程被称为光电效应。
释放出来的光电子随后会被探测器捕获，并转化为电信号。
2.康普顿散射：伽马射线也可以与物质中的自由电子发生非弹性散射，即康
普顿散射。
在此过程中，伽马射线的部分能量转移给电子，散射后的伽马射线能量降低，而散射电子可以被探测器捕捉并转换成信号。
3.电子对效应：当伽马射线的能量极高时，可以直接在真空中或物质中产生
一对正负电子。
这些产生的电子对同样可以被探测器检测到。
具体的探测器类型包括：
•电离室探测器：通过测量伽马射线引起的电离电流大小来估计入射伽马射线的强度。
•正比计数器：利用气体介质在伽马射线作用下产生的电离离子，通过放大电路把微弱的电离信号放大为可观测的脉冲信号。
•盖革-弥勒计数器（G-M 计数器）：利用类似原理，但特别适合于单个粒子事件的计数。
•闪烁探测器：伽马射线打到闪烁体材料上，闪烁体材料吸收能量后发出荧光，荧光被光电倍增管或硅光电倍增管等光电器件转换成电信号，进而记录伽马射线事件。
•半导体探测器：如高纯锗探测器，它们可以直接将伽马射线的能量转换为电信号。
通过对探测器接收到的电信号进行分析，可以获取有关伽马射线的能量、方向、强度等信息，进而应用于医学成像（如PET扫描）、工业无损检测、环境监测、核安全检查、天文学研究等多个领域。
密度测井原理7
物质的康普顿吸收系数：=e* e (0.2>E>1.02Mev）：≌
I I 0e
L
e
b
A
N0Z
由此可求出地层密度值
由于FDL的影响因素很多，目前更 多采用FDC测井方法
四：补偿密度测井的原理（FDC） 1个放射性源 两个探测器 贴井壁测量
利用长短源距的测量结果来计算有泥饼影 响条件下被测岩石的真实密度值 计算公式：
孔隙度增加---密度下降 密度值不能准确反映岩性 2、求岩层孔隙度
b ma ma f
适用条件： 纯岩层
含泥质岩层 b ma (1 Vsh ) f Vsh sh 岩石有多种矿物构成：
ma mai Vmai
是利用伽马射线与物质核外电子相 互作用的原理
一：伽马射线与物质的相互作用 射线的能量<30Mev,则与物质相互作用的三 种形式： 原子核 电子对效应： (>1.02Mev) +e -e 核外电子 康普顿效应： (0.2>E>1.02Mev) e
射线
散射的射线E1
光电效应： (0.2 Mev >E)
1
n
3、密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层 4、密度--中子交会图法 确定岩性 孔隙度 岩石的骨架成分 交会图
1)
与hmc mc有关 mc
输出的测井曲线 g/cm3
下 井 仪
影响因数：井径、极板曲率 >10英寸 不能很好贴井壁， 受泥饼影响大、
五：密度测井曲线的应用
1、划分岩层
砂岩=2.65 灰岩 =2.71 白云岩=2.87 盐岩=2.17 硬石膏=2.97 淡水泥浆=1 3 G/cm 盐水泥浆=1.1 克/立方厘米
伽马射线与物质相互作用的主要形式
伽马射线与物质相互作用的主要形式伽马射线，这小家伙可真不简单！它们是宇宙中的超能量明星，产生自各种神秘事件，比如超新星爆炸、黑洞吞噬物质。
这些射线速度贼快，能瞬间穿越整个宇宙，简直像是太空里的快递员，一到就把自己送到了地球。
不过，别看它们光鲜亮丽，跟物质相遇时可不手软，简直像一位疯狂的派对动物，一到现场就开始狂欢。
说到伽马射线和物质的相互作用，哎呀，这可真是一场热闹的“碰撞派对”。
它们能把物质的原子打个稀巴烂，发出电子，形成了“光子”这种家伙，顿时物质就变得活跃起来，像是喝了兴奋剂。
简直可以想象那场面，物质里的电子们跳着舞，欢快得不得了。
这种现象叫做“光电效应”，听起来高大上，其实就是粒子间的亲密接触。
再往深了说，伽马射线还会跟原子核打交道，产生“光核反应”。
这就像是家里的小孩跟大人的互动，小孩爱捣乱，而大人则有点无奈。
伽马射线一来，原子核立马变得不安分，甚至会释放出其他粒子，搞得整个结构摇摇欲坠。
想象一下，伽马射线就像个调皮的小鬼，捣蛋到不行，连大人都搞不定，真是让人哭笑不得。
然后，还有一种现象，叫做“伽马射线对撞”。
哎呀，这可真是让人眼花缭乱。
伽马射线互相撞击，简直像是在进行一场拳击比赛，双方都不甘示弱。
这场比赛的结果就是产生出更重的粒子，比如质子和中子。
这就像是玩积木，把轻的拼成重的，拼得热火朝天。
哎，谁说科学就不能玩得开心？伽马射线对物质的影响可不仅仅是热闹，咱们的身体可也不能忽视。
虽然伽马射线在太空中叱诧风云，但一旦它们碰到我们的身体，就可能引发一系列反应。
长时间暴露在这种射线下，细胞可能会受到损害，甚至增加癌症的风险。
这可真是个沉重的话题，让人不得不严肃起来。
没错，虽然伽马射线在宇宙中很牛，但在我们身边，它们可是潜伏的危险分子，得小心应对。
说到这里，大家可能会问，咱们能做些什么呢？科学家们早就给出了答案。
通过屏蔽材料，比如铅、混凝土等，咱们可以有效阻挡伽马射线的侵袭。
就像在家里装上防盗门，防止小偷的光顾一样，保护自己当然是第一位的。
伽马射线效应
伽马射线效应伽马射线效应是一种重要的物理现象，也是伽马射线的基本特性之一。
伽马射线是一种高能电磁辐射，具有很强的穿透能力和电离能力。
它们的能量非常高，可以超过100兆电子伏特(MeV)。
伽马射线是宇宙中许多天体活动的产物，也是人类研究宇宙的重要工具之一。
伽马射线效应是指当伽马射线与物质相互作用时产生的现象。
当伽马射线穿过物质时，会与物质中的原子核或电子发生相互作用。
这些相互作用会导致伽马射线的能量发生改变，甚至可以将其转化为其他形式的能量。
伽马射线与物质的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射和正负电子对产生。
光电效应是指伽马射线与物质中的原子发生相互作用，将伽马射线的能量转移给原子中的电子，使其脱离原子。
康普顿散射是指伽马射线与物质中的自由电子相互作用，使伽马射线改变方向并减小能量。
正负电子对产生是指伽马射线与物质中的原子核发生相互作用，产生正负电子对。
伽马射线效应在许多领域都有重要的应用。
在核能研究中，科学家们利用伽马射线的穿透能力和电离能力来研究物质的结构和性质。
在医学影像学中，伽马射线被用来做放射性示踪和诊断。
此外，伽马射线还被用于材料检测、辐射治疗和核反应堆的安全监测等领域。
伽马射线效应的研究对于人类认识宇宙和开展科学研究具有重要的意义。
通过研究伽马射线与物质的相互作用，科学家们可以了解宇宙中的各种天体活动和物质性质。
伽马射线的探测和研究也为人类探索宇宙的奥秘提供了有力的工具。
伽马射线效应是伽马射线与物质相互作用时产生的现象。
它在物理学、医学和材料科学等领域都有广泛的应用。
伽马射线的研究对于人类认识宇宙和开展科学研究具有重要的意义。
通过深入研究伽马射线效应，我们可以更好地理解宇宙的奥秘，并推动科学的进步和发展。
《核物理》伽马射线与物质的相互作用
由人工或天然放射性同位素制成，如钴(60Co)源，铯 (137Cs)源，锌(65Zn)源、汞(203Hg)源和铈(141Ce)源。
¡ 测井中最常用的是：钴 (60Co)源和铯 (137Cs)源 ¡ 目前γ -γ测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上 都是137Cs源。
已发现的天然核素约有60余种为放射性核素
质量百分比/% 49.13 26.00 7.45 4.20 3.25 2.40 2.35 1.00 1.87 地 层 元 素 含 量 分 布 表
O、Si和Al总量占地壳总量的82.58%；
¡ 前 9种即 O、 Si、 Al、 Fe、 Ca、Na、 K、 Mg和 H总
量占地壳总量的98.13%；
¡ 而 其余元素仅占地壳元素总 量的 1.87%。 ¡ 核辐射测井所关心的不是地层中 所有的 元素，而是
3）光子说的提出
¡ 爱因斯坦在1905年提出光子说，即在空间
中传播的光也不是连续的，而是一份一份 的，每一份叫做一个光量子，简称光子。
¡ 光 子的能量 E跟光的频率ν成 正比。
E=hν 其中h是一个常量，叫普朗克常量。 h=6.63×10－34J.s
困难2 光 强越 大，电子 可获得更 多能 光 电子的最大初 动能 量，光 电子的最大初 动能 也应 与 光强 无关 ，而与频 该越大，即出射电子的最大初 率 有关 动 能应 该由 光强 来决 定
A
1）光电效应实验结果：
W 石英窗
K
阴 极
¡ 任何一种金属 都有一 极限频率ν 0， 入射光 的频率
必须大于ν0（无论光强多大）才能发生光电效应 。 大，而与入射光的强度无关。
¡ 光 电子的最大 初动能只随入 射光 的频率增大而 增
伽玛射线与物质相互作用——康普顿效应及推导过程
（2 ）
8
由（1）式消去
2 2 2
m v c h (v0 v 2v0 v cos )
2 2 2
，得
（3）
将（2）式写成
mc hv0 v m0c
2
2
将（4）式平方后减去（3）式，得
（4）
m2 c 4 m2 v2 c 2 2h 2 v0 v 2h v0 v cos m c 2m0 c h( v - v0 )
已为实验所证明。
12
散射线中波长不变成分 光子除了与受原子核束缚较弱的电子碰撞 外，还与受原子核束缚很紧的电子发生碰撞。 这种碰撞的散射波长不变。 康普顿散射的理论和实验完全一致，在更 加广阔的频率范围内更加充分地证明了光子理 论的正确性；又由于在公式推导中引用了动量 守恒定律和能量守恒定律，从而证明了微观粒 子相互作用过程也遵循这两条基本定律。
2
一、康普顿效应 X射线通过散射物质时,在散射线中，除了 有波长与原波长相同的成分，还有波长较长的 成分 — 康普顿效应。
散射光 入射光
探 测 器
散射物质
X 光管 光阑
0 ,
3
测量结果
I
0 I
45
I
90 I
135
0
0
0
0
对任一散射角 , 都有两种波长 0 和 的散 射线。实验还表明, 对轻元素，波长变长的散射 线较强，而对重元素, 波长变长的散射线较弱。
6
二、光子理论的解释 电磁辐射是光子流，每一个光子都有确定 的动量和能量。X射线光子的能量约为104～ 105 eV， 它们与散射物质中那些受原子核束缚 较弱的电子 （结合能约为10～102 eV） 的相互 作用，可以看成光子与静止自由电子的作用。
伽马射线与物质相互作用
学时：6 学时 基本内容： ① 基本概念：电离、激发、射程、平均电离能、能量损失、轫致辐射、光电效应、康 普顿效应、电子对效应 ② 基础知识： 带电粒子与物质相互作用的一般过程、 带电粒子与物质相互作用的一般特 点、α粒子与物质的相互作用、β粒子与物质的相互作用、以及电离能量损失、光电效应、 康——吴散射、形成电子对效应、核辐射对人身体的影响、剂量当量的限值、防护基本原则 和防护措施 重点、难点：α、β粒子与物质的相互作用过程和特点、光电效应的结果与仪器原理的 关系、康——吴散射的作用与几率分配关系、γ射线在物质中的衰减规律、1、剂量当量的 限值、防护基本原则 教学思路： 先介绍带电粒子与物质的相互作用， 然后讲解γ射线与物质相互作用的过程 。其中，与物质相互作用过程等部分详细讲解。最后知道核辐射对人身体所产生的影响。 主要参考书： ①程业勋、王南萍等编著《核辐射场与放射性勘查》 ，地质出版社，2005. ②吴慧山主编《核技术勘查》 ，原子能出版社，1998. ③李星洪等编著《辐射防护基础》 ，原子能出版社，1982 复习思考题：
Ee + Ee+ + 2m0 c 2 = Eγ
； 2m0 c 2 = 1.022MeV
Ee 、 Ee+ 、 Eγ 分别为电子、 正电子、入射γ射线的能量。
四、γ射线在物质中的衰减 光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没有发生。经过相 互作用的光子数可用发生相互作用的几率来表示。 线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单 位距离时，平均发生总的相互作用的几率。 若吸收物质单位体积中原子数为 N，密度为ρ，入射初始γ射线强度（照射量率）为 I0, 在物质厚度为 x 处，测得γ射线强度为 I；则通过 dx 厚度， γ射线强度的变化为 dI，可用 下式表示：
伽马射线的吸收讲解
核物理实验
NaI(Tl)闪烁谱仪( NaI(Tl) scintillation spectrometer)及伽马 能谱测量
伽马射线的吸收
物理科学与技术学院 核工程与技术系
实验目的
1、了解γ 射线与物质相互作用及其在物质中 的吸收规律。
2、测量γ 射线在不同物质中的吸收系数μ 。
NaI(Tl)闪烁谱仪及伽马能谱测量
铅和铝的吸收曲线
实验仪器装置
γ 放射源137Cs（0.6617 MeV）或 60Co （1.1732 MeV，1.3325 MeV） ； 200μ m AL窗NaI闪烁探头和光电倍增管； γ 谱仪； Pb、Al吸收片若干； 微机。
实验内容
1) 测量137Cs的γ 射线（取662 keV光电峰）在通 过一组吸收片（铅、铝）后的射线强度，作 出伽马射线强度与吸收体质量密度关系曲线， 并用最小二乘法原理拟合求线性吸收系数。
0
- /
ln
N R
2 2
ln
N
1
1
R
半吸收厚度就是使入射的γ 射线强度减 弱一半时的吸收物质的厚度。记作
I I 0e
x
1 I0 2
d 1 / 2 ln 2 / 0 . 693 /
有用的定义
吸收截面 吸收系数 σ μ = σN
半吸收厚度
d1/2=ln2/μ
2）根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数 来测量该材料厚度。
注意事项
• NaI（Tl）探测器要轻拿轻放，切忌磕碰。仪器 开机后，必须预热30分钟左右。 • 当工作指示灯亮时，切勿关闭仪器。光电倍增管 加高压、降高压都要缓慢，高压不得超过650 V。
伽马射线与物质相互作用效应比较
伽马射线与物质相互作用效应比较伽马射线是一种高能电磁辐射，其波长极短且能量很高，因此具有很强的穿透能力。
伽马射线与物质相互作用的效应主要有电离效应、产生电子对效应和康普顿散射效应等。
以下将对这些效应进行比较分析。
首先是电离效应。
当伽马射线通过物质时，其能量足够高，可以将物质内的原子从原本稳定的束缚态转变为自由态，形成正离子和自由电子。
这个过程称为电离效应。
伽马射线的电离效应非常强，其作用能力不仅仅与物质种类有关，还与射线的能量有关。
相比之下，X射线和紫外线等低能辐射无法产生这种显著的电离效应。
其次是产生电子对效应。
伽马射线的能量足够高时，它可以与原子核相互作用，产生一对正负电子对。
这个现象称为产生电子对效应。
伽马射线在物质中的吸收过程中，产生电子对效应是主要的能量损失机制之一、而对于低能量的电磁辐射，如X射线，几乎没有这种现象发生。
最后是康普顿散射效应。
康普顿散射是伽马射线与物质中的自由电子发生非弹性碰撞而散射出去的过程。
散射出去的伽马射线的波长发生变化，能量减小。
康普顿散射效应在伽马射线的能量不太高时较为显著。
但随着能量的增加，康普顿散射效应逐渐减小，而电子对效应逐渐增大。
实际上，在伽马射线与物质相互作用的过程中，上述效应同时存在，但其重要性取决于射线的能量和物质的性质。
当伽马射线的能量较低时，电离效应和产生电子对效应较为显著；当能量适中时，康普顿散射效应开始显现；而当能量较高时，电子对效应成为主要的能量损失机制。
在实际应用中，我们可以根据具体情况选择合适的伽马射线与物质相互作用的效应，来实现不同的目标。
总之，伽马射线与物质相互作用的效应包括电离效应、产生电子对效应和康普顿散射效应等。
不同的伽马射线能量和物质性质决定了上述效应的重要性。
在实际应用中，我们可以利用这些效应来实现不同的目的，例如用于放射治疗、材料检测和核辐射测量等。
伽马射线与物质相互作用的主要形式
伽马射线与物质相互作用的主要形式大家好，今天我们来聊聊伽马射线与物质相互作用的主要形式。
伽马射线是一种非常神奇的射线，它的速度非常快，能量也非常高。
伽马射线与物质相互作用时会发生什么呢？我们来看看吧！伽马射线与物质相互作用的主要形式之一是光电效应。
光电效应是指当光子与物质中的电子相互作用时，光子的能量被电子吸收，使得电子从物质表面逸出的现象。
这个过程可以用一个简单的例子来形容：就像你用一把钥匙打开了一扇锁一样，光子用自己强大的能量打开了电子的“锁”。
这个过程并不是那么简单，涉及到很多复杂的物理原理。
我们可以通过一些简单的实验来感受一下这个过程。
比如，我们可以在阳光下用手摸一下光滑的玻璃窗，你会感觉到一股热浪扑面而来，这就是太阳光子与空气分子发生光电效应的结果。
伽马射线与物质相互作用的主要形式之二是康普顿散射。
康普顿散射是指当伽马射线与物质中的原子或分子相互作用时，部分能量被转移到原子或分子上，使得伽马射线的波长发生改变的现象。
这个过程可以用一个形象的例子来形容：就像是你在打篮球时，突然被对方的球员撞了一下，你的运动轨迹发生了偏移一样。
康普顿散射也是如此，伽马射线在与物质相互作用后，原本直直向前的“道路”变得弯曲了。
这个现象不仅揭示了伽马射线的本质特征，还为我们研究宇宙中的高能粒子提供了重要的线索。
伽马射线与物质相互作用的主要形式之三是阿尔法衰变。
阿尔法衰变是指放射性核自发地转化为另一种核的过程。
这个过程可以用一个生活化的例子来形容：就像是你家里的煤气罐漏气了一样，放射性物质会不断地释放出辐射能量。
阿尔法衰变是一个非常重要的物理过程，它揭示了原子核的结构和性质，为我们认识宇宙中的奥秘提供了宝贵的知识。
伽马射线与物质相互作用有很多种形式，每一种形式都有其独特的特点和意义。
通过研究这些现象，我们可以更好地了解宇宙的本质，探索自然界的奥秘。
希望大家能够对伽马射线产生兴趣，继续关注这方面的研究进展。
今天的分享就到这里啦，谢谢大家！。
伽马射线变成紫外线的原因
伽马射线变成紫外线的原因伽马射线是一种极具能量的电磁辐射，它的波长比X射线还要短，能量比X射线还要高。
而紫外线则是电磁辐射中波长较短、能量较低的一种。
伽马射线如何变成紫外线呢？这涉及到原子的能级结构以及电子的跃迁过程。
我们来了解一下伽马射线的产生。
伽马射线通常是由某些核反应或放射性元素的衰变过程中释放出来的。
这些过程中，原子核发生变化，释放出伽马射线。
伽马射线具有非常高的能量，能够穿透物质并产生电离作用。
紫外线则是由电子的跃迁引起的。
在原子中，电子围绕原子核以不同的能级存在。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或释放能量，并产生电磁辐射。
当电子从一个较高能级跃迁到一个较低能级时，就会释放出紫外线。
那么，伽马射线是如何变成紫外线的呢？这涉及到伽马射线与物质的相互作用过程。
当伽马射线穿过物质时，会与物质中的原子发生相互作用。
其中一个重要的过程是康普顿散射。
在康普顿散射中，伽马射线与原子中的电子发生碰撞，使电子获得能量，并改变运动方向。
这个过程中，伽马射线的能量减小，而电子获得的能量增加。
当伽马射线的能量减小到一定程度时，它可以与原子中的电子发生共振吸收。
共振吸收是指伽马射线的能量与原子中某个特定电子的能级差正好匹配，导致伽马射线被吸收。
在这个过程中，电子从低能级跃迁到高能级，伽马射线的能量被转移到电子上。
接下来，电子会从高能级跃迁到低能级，释放出紫外线。
这是因为电子在高能级上不稳定，会通过跃迁的方式返回到较低能级上。
在跃迁的过程中，电子释放出能量，并产生电磁辐射。
这个电磁辐射的波长较短，能量较低，就是紫外线。
需要注意的是，伽马射线变成紫外线的过程中，能量的转换是逐步进行的。
伽马射线的能量会通过与物质的相互作用逐渐减小，最终转化为紫外线。
这个过程中，伽马射线的能量损失较大，而紫外线的能量相对较低。
总结起来，伽马射线变成紫外线是通过与物质的相互作用实现的。
伽马射线与物质中的原子发生碰撞，电子获得能量，并通过跃迁过程释放出紫外线。
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1 、比 较 钋 的 粒 子（ E α =5.3MeV ）在 空 气 中 ，铝 中 和 铅 中 得 射 程 。在 空 气 中 能量完全损耗能产生多少对离子？ 2、 RaE 的 β 射 线 谱 得 最 大 能 量 为 1.17MeV ， 用铅屏蔽， 吸 收 90% 需 要 厚 度 （ mm ） 是多少？ 3 、 试 求 ThC 的 γ 射 线 通 过 物 质 发 生 康 普 顿 散 射 ， 其 能 量 损 失 25% ， 问 反 冲 电子能量多大？ 4 、 试 求 ThC 的 γ 射 线 （ E=2.62MeV ） ， 通 过 厚 度 为 5cm 、 10cm 铅 板 时 的 衰 减率。 5 、 测 量 γ 射 线 的 探 测 器 与 入 射 射 线 夹 角 成 90 度 方 向 ， 分 别 使 用 Cs 65 （ 0.662MeV ）和 Zn（ 1.114MeV ）作 放 射 源 ，分 别 以 铝 和 铅 作 散 射 体 ，试 问 测 得 的散射相对强度如何？
dI = − µ a ⋅ N ⋅ I 0 dx
解得：
I = I 0 e − µx
在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：
式中：dM=
称质量厚度，单位为 g/cm2。
I = I 0 e − µ m ⋅d m
μm=μ/ρ称质量衰减系数，单位为 cm2/g。
Ee + Ee+ + 2m0 c 2 = Eγ
； 2m0 c 2 = 1.022MeV
Ee 、 Ee+ 、 Eγ 分别为电子、 正电子、入射γ射线的能量。
四、γ射线在物质中的衰减 光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没有发生。经过相 互作用的光子数可用发生相互作用的几率来表示。 线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单 位距离时，平均发生总的相互作用的几率。 若吸收物质单位体积中原子数为 N，密度为ρ，入射初始γ射线强度（照射量率）为 I0, 在物质厚度为 x 处，测得γ射线强度为 I；则通过 dx 厚度， γ射线强度的变化为 dI，可用 下式表示：
2
2m0 v 2 4πz 2 e 4 dE NZ ln = − m0 v 2 dx ion I
能量损失率又称为物质的阻止本领。
1 2 ln + − β 2 1− β
1）能量损失率与入射α粒子的速度关系密切；速度大，能量损失率低。 2）能量损失率与 NZ 成正比。 α 粒子在物质中的射程（R） ：α 粒子在物质中运动，不断损失能量。当能量殆尽， 运动终止，所穿过的最大距离。
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6 、 RaA 的 α 粒 子 在 空 气 中 射 程 是 4.62cm ，试 求 在 铅 中 射 程 ？（ 铝 的 原 子 质 3 量 是 A=27 ， 密 度 为 ρ =2.7g/cm ） 。 7 、如 果 入 射 光 的 波 长 为 0.02cm ，通 过 物 质 产 生 光 电 反 应 ，计 算 在 入 射 前 进 方 向 30 度 和 90 度 方 位 得 散 射 光 子 和 反 射 电 子 的 能 量 。 8、 为 什 么 α 粒 子 在 空 气 中 的 路 径 时 一 条 直 线 ？ 9 、 用 铝 片 作 β 射 线 吸 收 实 验 ， 测 得 射 程 为 1.05 g/cm ， 求 该 β 射 线 的 最 大 能量？ 10 、 已 知 γ 线 能 量 为 3 MeV ， 如 果 吸 收 其 能 量 得 95% ， 应 用 多 厚 的 铅 板 ？ 教学内容提要： 第一节 带电粒子与物质的相互作用 一、α 粒子与物质的相互作用 α 粒子与物质的相互作用的过程主要为电离和激发 α 粒子电离能量的损失率（-dE/dx）
式中：m 为反冲电子以速度 v 运动时具有的质量；c 为光速； 散射射线和反冲电子的动能。 三、电子对效应 当入射光子的能量大于 2m0v2 时，入射γ光子在库仑场作用下能量完全被吸收，电子从 负能级跃迁到正能级，同时放出一对正、负电子，这就是电子对效应。 、 、mv 为γ射线、
电子对效应示意图 能量关系为： 式γ 射线与原子的壳层电子相碰撞，将一部分能量传给电子，使获得的能量的电子沿 γ 射线入射方向成φ角射出原子之外。损失能量之后的光子成θ角方向散射出去。 如果入射γ射线能量为 Eγ,散射能量为 Eγˊ，反冲电子能量为 E0。根据能量和动量守恒 定律，三者关系为：
Eγ Eγ / = cos θ + mv cos ϕ c c Eγ / sin θ = mv sin ϕ c Eγ = Eγ / + E0
R = ∫ dE /(−dE / dx)
E0
0
α粒子射程 对曲线 A 求微分得到曲线 B，A 曲线与横坐标的交点 Rmax 为最大射程。
二、β射线与物质的作用 β射线在物质中德主要作用过程是电离、轫致辐射和多次散射 1）电离与激发 2）轫致辐射 3）β射线的散射 4）β射线的射程和衰减 轫致辐射（又称轫致 X 射线） ：β粒子（电子）接近原子核时，受到库仑场的作用，使 速度迅速降低；一部份动能转变为电磁波（光子） ；这种作用过程称为轫致辐射。 β射线的射程和衰减 实验结果表明，物质对β射线的吸收过可以近似用指数规律来表示：
I = I 0 e − µd
第二节 γ射线与物质相互作用 一、光电效应 γ光子产生光电效应的截面是τa 则
τ =τaN
N = ρ ⋅ L0 / A
τ称为光电吸收系数，或光电吸收（效应）截面
式中：N 可以由物质的密度ρ、原子质量数和阿伏加德罗常数 L0 求出，即
不同 γ 光子能量时光电子分布
γ 射线通过物质， 与物质原子相碰撞， 可能使全部能量传递给原子， 入射的 γ 射线 （光 子）全部消失。能量在原子中分配，使结合能适当的电子获得能量克服原子核的束缚（结合 能） 发射出去， 并使原子受到反冲。 这样的作用过程称为光电效应， 发射的电子称为光电子。 ； 散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为弹性散射（又称相干散射） 散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为康普顿散射（又称非相干散射）
第二章 射线与物质的相互作用 reciprocity of Radial and matter
学时：6 学时 基本内容： ① 基本概念：电离、激发、射程、平均电离能、能量损失、轫致辐射、光电效应、康 普顿效应、电子对效应 ② 基础知识： 带电粒子与物质相互作用的一般过程、 带电粒子与物质相互作用的一般特 点、α粒子与物质的相互作用、β粒子与物质的相互作用、以及电离能量损失、光电效应、 康——吴散射、形成电子对效应、核辐射对人身体的影响、剂量当量的限值、防护基本原则 和防护措施 重点、难点：α、β粒子与物质的相互作用过程和特点、光电效应的结果与仪器原理的 关系、康——吴散射的作用与几率分配关系、γ射线在物质中的衰减规律、1、剂量当量的 限值、防护基本原则 教学思路： 先介绍带电粒子与物质的相互作用， 然后讲解γ射线与物质相互作用的过程 。其中，与物质相互作用过程等部分详细讲解。最后知道核辐射对人身体所产生的影响。 主要参考书： ①程业勋、王南萍等编著《核辐射场与放射性勘查》 ，地质出版社，2005. ②吴慧山主编《核技术勘查》 ，原子能出版社，1998. ③李星洪等编著《辐射防护基础》 ，原子能出版社，1982 复习思考题：