γ射线的吸收和物质吸收系数的测量

实验2-2γ射线的吸收和物质吸收系数的测量摘要：本文通过对γ射线与物质相互作用的相关知识介绍，使读者对不同作用的特点有基本的了解，并通过测量γ射线在不同物质中的吸收系数，了解γ射线在不同物质中的吸收规律。关键字：核技术；γ射线；光电效应；康普顿效应；吸收系数引言：γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现的，γ射线是光子，是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出不同能量的γ射线。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：γ射线在吸收物质中会和物质中的束缚电子、自由电子、库伦场、核子发生相互作用，并且单次作用不可导致完全吸收或散射，理论上，相互作用有12个过程，但是对于10KeV到10MeV之间的γ射线来说，主要有三个效应，下面我们简单地介绍一下γ射线与物质相互作用的三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应是指γ射线光子在与吸收物质互相作用时把全部能量都给了原子中的束缚电子，使其脱离原子发射出来，可以知道，如果入射的γ射线是单能的，则发射的电子也会是单能的，并且发生光电效应的几率随原子序数的增加而迅速增大，随入射γ射线能量的增大而减小。康普顿效应是指入射γ射线光子与吸收物质原子产生非弹性碰撞，一部分能量传递给电子使其脱离原子，剩余的能量使得γ射线的能量和方向发生改变，这种改变是连续的，故单能的γ射线入射时会产生连续能量的自由电子，并且发生康普顿效应的几率随原子序数的增加而迅速增大，随入射γ射线能量的增大而减小，但比光电效应减小的慢。最后是电子对效应，其是指γ射线光子在吸收原子库伦场的作用下转化成一对正负电子，正电子寿命很短，最后只剩下自由的负电子。这种效应只有在γ射线能量大于1.022MeV时才会发生，并且能量越大效应越显著。综上所述，当γ射线能量较小时发生光电效应，当能量大与1MeV是康普顿效应占优，电子对效应只有在能量大于1.022MeV时才会发生，并且能量越大效应越显著，并且γ射线在穿过吸收物质时不同与带电粒子的吸收，只要γ射线与原子发生一次上述三种效应，就会发生一次大的能量转移，要么γ射线消失，要么能量改变，如果没有发生作用，则能量保持不变，而不像带电粒子穿过吸收物质发生多次小的碰撞一样。因此没有射程概念。本实验研究的是窄束γ射线，其不包含散射成分，仅由未经相互作用的光子组成，当窄束γ射线通过吸收物质时，由于有上述相互作用而导致其强度减小，γ射线强度与吸收物质的厚度有关，其规律为：00rNxxIIeIe其中r为三种效应截面之和，N为吸收物质单位体积中的原子数，为物质的吸收系数，反映物质吸收γ射线的本领，它是物质原子序数Z和γ射线能量的函数。若用质量厚度来表示吸收体的厚度，上式可表示为：/0mRIIe其中R为质量厚度，表示单位面积的质量。因为γ射线的强度正比于计数率N，所以对上式求对数可得：2121lnlnmNNRR我们定义入射γ射线强度减小到一半的吸收物质厚度为“半吸收厚度”，记作12d，则12ln20.693d实验装置如下图：本次实验我们是用137Cs作为γ射线源来测量铝和铅的吸收系数，实验仪器参数为：实验仪器型号出厂编号活度生产单位RES-02型相对论效应实验谱仪0442同济大学物理系TCo型放射源05-042Ci北京原子高科核技术应用股份有限公司TCs型放射源05-032Ci具体实验步骤如下：1.连接好实验仪器线路2.把γ放射源137Cs放在探测器前，调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器中心位于一条直线上3.在放射源与闪烁探测器之间预留四块铝块的距离，并测量137Cs在无吸收物质是的能谱以及闪烁探测器左移和右移5mm时的能谱，从中选出总计数率最高的闪烁探测器位置并固定4.逐块加上吸收物质铝，保持吸收物质与探测器垂直，测量γ射线的能谱图5.记录相关的实验数据6.逐块加上吸收物质铅，重复4步骤，记录相关实验数据实验所得的数据如下：吸收物质R（g/cm2）总计数率峰位（chn）半高宽（chn）净面积分辨率全谱计数率059516015.60190029.75%178017铅2.08453160.0215.73154239.83%1359794.16381159.8515.72121799.84%1140016.26316160.3616.15980710.07%946838.36267159.6515.97756110.00%80039铝2.43530159.7615.45154659.67%1589264.83484159.9215.64124799.78%1447287.27444160.0915.20109759.5%1331259.69405159.6314.9988199.39%121609根据质量厚度和净面积可以算得吸收系数，一共可以得到十个组合，其中铅密度=11.34g/cm3，铝密度：=2.70g/cm3，根据公式2121lnlnmNNRR得2121lnlnmNNRR，具体计算数据如下：组合铅的吸收系数m（cm-1）铝的吸收系数m（cm-1）011.140.23021.210.24031.200.20041.250.21121.290.24131.230.19141.290.21231.170.14241.290.19341.400.24平均吸收系数m（cm-1）1.250.21从实验结果我们可以看到，铅的吸收系数要远大于铝，故在防护核辐射方面铅的效果要好于铝。在本次实验中有很多值得注意的地方，比如铝片和铅片摆放的位置，放射源和探测器之间的距离等都需要读者理解。参考文献：[1]林根金等．近代物理实验讲义[M]．浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2009[2]黄润生、沙振舜、唐涛.近代物理实验[M].南京：南京大学出版社，2008[3]姜东光.近代物理实验[M].北京：科学出版社，2007[4]张天喆、董有尔.近代物理实验[M].北京：科学出版社，2004