1.2 核物理实验2

实验1.2 & 1.3 核物理实验2
Part 1 放射性半衰期测量 一、引言
半衰期是放射性核素的重要特性之一，每种放射性核素都有着它特有的半衰期，且与包含该核素的物质所处的物理、化学状态无关，因而测定半衰期就成了鉴别放射性核素的一种方法，在核物理研究和核技术应用中具有十分重要的意义。

不同核素半衰期的差别很大，最长可达1014年，最短仅为10-14秒。

因而测量方法也不同。

半衰期为毫秒以下的核素，可以用延迟符合等方法来测量，半衰期为10年以上的长寿命核素可以用比放射性法测量。

本实验中样品铟的半衰期为54.1分，可以用测量衰变曲线的方法来测定。

二、实验目的
1. 了解中子活化的基本知识；
2. 了解放射性衰变的基本规律；
3. 掌握用衰变曲线法测量核素的放射性半衰期的基本原理和方法。

三、实验原理
1. 放射性衰变基本规律
一个原子核自发地发射出射线而转变成另一种核或状态的过程称为核的放射性衰变。

就一个放射性原子来说，它何时衰变，完全是随机事件，而对大量原子核的衰变，其过程却存在一些基本规律。

设在时刻t ，存在N (t )个放射性原子核，经过d t 时间，衰变掉d N 个原子核，则有：
t
e
N N t N N λλ-⋅=⋅=-0d d
式中N 0为t =0时的放射性原子核个数，λ称为衰变常数，它表示每个原子核在单位时间内衰变的几率。

单位时间内衰变的原子核个数称为放射性的活度，用A 表示，单位为贝可（Bq ）：
t t
e A A e N N t
N
A λλλλ--⋅=⋅⋅==-
=00d d 式中A 0=λN 0。

即为t =0时的活度。

上式就是放射性衰变的基本规律。

λ由原子核的性质决定，与核外电子的状态无明显的关系，所以原子核所处物质的物理化学状态决定，并不会引起λ值的变化。

定义放射性活度降低到原来值的一半所需时间为半衰期，用2
1T 表示。

由上式可得：
λ
2
ln 2
1=
T
放射源在单位时间内发射的射线粒子数称作发射强度。

由于每次衰变发射的射线数目是不变的，所以放射源的辐射强度I 也服从指数衰减的规律，即：
()()t e n t n λ-=0
式中n (t )为t 时刻发射强度，n (0)为t =0时刻发射强度。

测得发射强度n (t )随时间变化的关系，就可求得λ。

再由前式，求得半衰期2
1T 。

实验上无法测得某一时刻的发射强度n (t )，而只能测得从t 1到t 2这段时间内的计数N ，从而可以求得平均计数率：
t N
t t N n ∆=-=
12
可以证明，只要时间间隔Δt 满足下式：
t
T t t ≤⎪⎪⎪
⎭
⎫ ⎝⎛∆⨯∆⨯210289.0 就可以用n 来表示时刻2
2
1t t t +=
的计数率，并满足下式： ()()t
e n t n λ-⨯=0
式中n (0)为t =0时的计数率，则只需在相同的测量条件下，选择合适的测量时间Δt ，测得n 随时间的变化关系，就可根据上式求得λ值。

2. 中子活化原理
图1 活化铟的衰变纲图
有些稳定的核素经中子照射后会变成放射性核素，这一过程叫做中子活化，也叫中子激活。

设材料中有N 1个原子核，从t =0时开始放入中子场中照射，中子通量为，照射到t 0
时刻取出，停止照射。

这时得到了N 2(t 0)个放射性原子核，则
()()0
1102t e N t N λλ
σφ
--=
式中σ为中子激活截面，λ为生成放射性核素的衰变常数，它是生成的放射性核的性质。

则在t 0时活化样品具有的放射性活度为
()()()()
0011102t t e A e N t N A λλφσλ---∞=-⋅⋅==
停止照射以后按照指数规律衰减，即与前文中公式相同。

天然铟是常用的中子活化材料，活化后生成多种放射性核素，各自按不同的衰变常数衰变，本实验中要求测量
116m
In 的衰变常数和半衰期。

表1 天然铟的基本数据
实验装置如图2所示。

φ
图2 测量装置
四、实验内容
1.把待测铟片放入热中子场中照射，根据中子活化原理及实验目的，设定照射时间。

2.按图2检查测量装置，确认无误后打开NIM机箱电源，选择合适的仪器工作状态，待稳定后开始测量。

3.选择合适的测量计数时间间隔Δt，测量本底计数n0。

4.把已活化的铟片放入探头匣内，冷却适当时间后，开始测量铟片的发射强度随时间的衰变曲线。

5.用图解法和最小二乘法求出半数期的值，并进行比较。

6.测量完毕首先把高压电源的输出缓慢降至最小值，然后关断所用NIM机箱的电源。

五、数据记录与处理
六、思考题
1.为了使116m In的活度达到最大值的97%以上，照射时间t0的最小值为多少分钟？
答：
2.停止照射后应等待多少分钟开始测量可以使核素114In的放射性强度降到原来的10%以下？
答：
3.本底计数来自何方？如何扣除本底影响？
答：
4. 测量衰变曲线时，必须保持测量条件不变，为什么？答：
Part 2 射线的吸收 一、引言
γ射线在穿透物质时，会被物质吸收，吸收作用的大小用吸收系数来表示。

物质的吸收系数的值与γ射线的能量有关，业余物质本身的性质有关。

正确测定物质的吸收系数，在核技术的应用与辐射防护设计中具有十分重要的意义。

例如工业上广泛应用的料位计、密度计、厚度计，医学上的γ照相技术等都是根据这一原理研究设计的。

二、实验目的
1. 了解γ射线在物质中的吸收规律；
2. 了解测量γ吸收系数的基本方法。

三、实验原理
1. 窄束γ射线在物质中的吸收规律。

γ射线在穿过物质时，会与物质发生多种作用，主要用光电效应，康普顿效应和电子对效应，作用的结果使γ射线的强度减弱。

准直成平行束的γ射线称为窄束γ射线，单能窄束γ射线在穿过物质时，其强度的减弱服从指数衰减规律，即
x x e I I μ-=0
其中I 0为入射γ射线强度，I x 为透射γ射线强度，x 为γ射线穿透样品厚度，μ为线性吸收系数。

用实验的办法测得透射率T =I x /I 0与厚度x 的关系曲线，便可根据上式求得线性吸收系数μ值。

为了减少测量误差，提高测量结果精度。

实验上常先测得多组I x 与x 的值，再用曲线拟合来求解。

即：
x I I x μ-=0ln ln
由于γ射线与物质主要发生三种相互作用，三种相互作用对线性吸收系数μ都有贡献，可得：
p
c ph μμμμ++=
图3 铅、锡、铜、铝对γ射线的吸收系数和能量的关系
式中μph 为光电效应的贡献，μc 为康普顿效应的贡献，μp 为电子对效应的贡献。

它们的值不但与γ光子的能量E γ有关，而且与材料的原子序数、原子密度或分子密度有关。

对于能量相同的γ射线，不同的材料、μ也有不同的值。

医疗上正是根据这一原理，来实现对人体内部组织病变的诊断和治疗，如X 光透视、X 光CT 技术，对肿瘤的放射性治疗等。

图3表示铅、锡、铜、铝材料对γ射线的线性吸收系数μ随能量E γ变化关系。

图3中横坐标以γ光子的能量h ν与电子静止能量m e c 2的比值为单位，由图可见，对于铅低能γ射线只有光电效应和康普顿效应，对于高能γ射线，以电子对效应为主。

为了使用上的方便，定义μm =μ/ρ为质量吸收系数，ρ为材料的质量密度。

则前式可以改写成如下的形式：
m m x x e I I μ-=0
式中x m =x ·ρ，称为质量厚度，单位是g/cm 2。

2. 半吸收厚度x 1/2；
物质对γ射线的吸收能力也常用半吸收厚度来表示，其定义为使入射γ射线强度减弱到一半所需要吸收物质的厚度。

由前式可得：
μ
2
ln 2
1=
x
显然半吸收厚度x1/2也与材料的性质和γ射线的能量有关。

图5表示铝、铅的半吸收厚
度与Eγ的关系。

若用实验方法测得I x与x的变化关系，则可根据前式求得材料的线性吸收
系数μ值，从而再由上式求得x1/2。

测量装置如图4所示。

图4 测量装置
四、实验内容
1. 按图4检查测量装置，调整探测器位置，使放射源、准直孔、探测器中心在同一条水平
线上。

2. 打开系统的电源，预热适当时间。

3. 选择合适的高压值，放大倍数和计数时间并保持不变。

4. 测量不同吸收片厚度x时的计数I x。

5. 取出放射源，在相同条件下，测量本底计数I b。

6. 把高压源降至最低值，关断电源。

7. 用最小二乘法求出γ吸收系数μ及半吸收厚度x1/2。

图5 半吸收厚度和γ射线能量的关系
五、数据记录与处理
六、思考题
1.设铅的μ=1.0/cm，铝的μ=
2.0/cm，为了使γ辐射强度降为原来的1/10，所需防护层厚度
各为多少厘米？
答：
2.待测的透射后γ光子的能量与入射光子的能量是否相同？为什么？
答：
3.实验布置中，为什么要把放射源、准直孔、探测器的中心保持在同一直线上？答：
4.何为半吸收厚度？其值与哪些因素有关？
（测量前必须认真阅读BH1224微机多道γ能谱仪使用说明书。

）
答：。