实验2 γ射线的吸收
实验目的
1. 了解γ射线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。
3. 学习正确安排实验条件的方法。
实验内容
1. 选择良好的实验条件，测量60Co的γ射线在一组吸收片（铅、铜或铝）中的吸收曲线，并由半吸收厚度定出线性吸收系数。
2. 用最小二乘直线拟合的方法求线性吸收系数。
原理
1. 窄束γ射线在物质中的衰减规律
γ射线与物质发生相互作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应（当γ射线能量大于1.02MeV时，才有可能产生电子对效应）。
准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能的窄束γ射线在穿过物质时，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度的衰减服从指数规律，即
（1）
其中I0, I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过物质的厚度（单位是cm），σr是三种效应截面之和，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（
，单位为cm-1）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。
由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率n总是与该时刻的γ射线强度I成正比，因此I与x的关系也可以用n与x的关系来代替。由（1）式可以得到：
（2）
（3）
可见，如果在半对数坐标纸上绘制吸收曲线，那么这条吸收曲线就是一条直线，该直线的斜率的绝对值就是线性吸收系数μ 。
由于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Eγ和吸收物质的原子序数Z而变化，因此单能γ射线的线性吸收系数μ是物质的原子序数Z和能量Eγ的函数。
式中
、
、
分别为光电效应、康普顿效应、电子对效应的线性吸收系数。其中
图2给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的关系曲线。
物质对γ射线的吸收系数也可以用质量吸收系数μm来表示。此时指数衰减规律可表示为
，其中
，单位是cm2/g；ρ是物质的密度，单位是g/cm3；
表示物质的质量厚度，
，单位是g/cm2。因为
式中NA是阿佛加德罗常数，A是原子质量数。所以质量吸收系数与物质的状态和物理状态无关，使用质量吸收系数比线性吸收系数要更方便些。
物质对γ射线的吸收能力也常用“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厚度，记作
。从（1）式可以得出d1/2和μ的关系为：
（4）
由此可见，
也是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量Eγ的函数。图3表示了铅和铝的半吸收厚度与γ射线的能量的关系。通常利用半吸收厚度可以粗略定出γ射线的能量。
因此，要求线性吸收系数时，可以由吸收曲线计算斜率的方法得到，也可以由吸收曲线图解求出半吸收厚度从而推算得到。以上两种方法都是用作图方法求得线性吸收系数的，其特点是直观、简单，但误差比较大。较好的方法是用最小二乘方法直线拟合来求得线性吸收系数。
对于一系列的吸收片厚度x1、x2、…xk（假定xi没有误差），测到一系列的计数值N1、N2、…Nk（这些计数值都正比于射线强度），经计算得到一系列的计算率
。
令
则由（3）式有
其中斜率a（即为－μ）与截距b的计算公式为
式中
（Wi表示
的权重），其他类似。Wi的计算如下（假定本底不大和本底误差可以忽略）
a和b的标准误差为
式中
，
，其中
是测量值，
是拟合值
根据γ吸收的原理，可以制成各种料位计、密度计、厚度计等。目前这类仪器正在一些工业部门中逐步得到推广。
2. 关于γ吸收实验条件的安排
上面的讨论都是指的窄束γ射线的吸收过程。从实际的实验条件来看，探测器
记录
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下来的脉冲数可能有五个来源（见图4），图中（1）透过吸收物质的γ射线；（2）由周围物质散射而进入的γ射线；（3）与吸收物质发生小角散射而进入的次级γ射线；（4）在探测器对源所张立体角以外的γ射线被吸收物质散射而进入；（5）本底。其中只有第一类射线是我们要的透射强度，因此选择良好的实验条件以减少后四类射线的影响，就成为获得准确结果的主要因素。实验时要合理的选择吸收片与放射源、吸收片与探测器之间的相对位置以获得良好的实验结果。
实验装置
*
实验设备：
通用探头 FJ-367 1 个
智能定标器 FH-463B 1 台
吸收片 铅、铜、铝 各5片
铅准直器 Φ12mm 4 个
放射源 60Co 1 个
实验步骤
1. 调整装置，使放射源、准直恐、探测器的中心处于一条直线上
2. 选择吸收片的合适位置，使小角散射的次级γ射线影响较小（称为良好的几何条件）和影响较大（称为不好的几何条件）的情况下，各做一条对铅材料的γ吸收曲线，各点统计误差要求小于（2～3）％。
3. 在良好的几何条件下，做一条对铜或铝的γ吸收曲线，各点统计误差要求小于（2～3）％。
4. 测量γ射线在铅和铜中的吸收曲线时，所加吸收片的总厚度应不小于3各半吸收厚度，对铝要求不小于2个半吸收厚度
数据处理及结果分析
1. 计算铅、铜（或铝）的半吸收厚度，并计算其误差
2. 作出相应γ吸收曲线图
思考题
1. 什么叫γ射线被吸收了？为什么说γ射线通过物质时没有确定的射程？
2. 什么样的几何布置条件才是良好的几何条件？实验装置中吸收片的位置应当放在靠近放射源还是靠近计数管的地方？
3. 试分析在不好的几何条件下，测出的半吸收厚度是偏大还是偏小？为什么?
4. 试述本实验中本底应如何测量。本底的误差应如何考虑？
5. 如果事先不知道γ射线的能量，怎样才能合理的选择每次添加的吸收片厚度，使测量结果既迅速，结果也较准确？
浙公网安备 33021202002483