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物质对射线的吸收 实验原理当一定能量的射线(即高速电子束)通过物质时,与该物质原子或原子核相互作用,由于能量损失,强度会逐渐减弱,即在物质中被吸收。电子与物质相互作用的机制主要有三种:第一,电子与物质原子的核外电子发生非弹性碰撞,使原子激发或电离,电子以此种方式损失能量称为电离损失。电离损失的能量损失可由下式给出: (1)此式适用于非相对论情况,式中v为电子速度,N、Z、I分别为靶物质单位体积内的原子数、原子序数、平均激发能。由此看出,电离损失的能量与入射电子的速度、物质的原子序数、原子的平均激发能等因素有关。第二,电子受物质原子核库仑场的作用而被加速,根据电磁理论作加速运动的带电粒子会发射电磁辐射,称为轫致辐射,使电子的部分能量以X射线的形式放出,称为辐射损失。这主要在能量较高的电子与物质相互作用时发生。辐射损失 (2)式中m、E分别为入射电子的质量、能量,Z、N分别为靶物质的原子序数和单位体积中的原子数。由式(2)可以看出,射线在物质中的辐射损失与物质的Z2成正比,与入射电子的能量成正比。比较(1)、(2)两式,可粗略看出入射电子的能量较低时,电离损失占优势,当电子能量较高时辐射损失占优势。除以上两种能量损失外,射线在物质中与原子核的库仑场发生弹性散射,使粒子改变运动方向,因电子质量小,可能发生比较大角度的散射,还可能发生多次散射,因而偏离原射束方向,使入射方向上的射线强度减弱,这种机制成为多次散射。如果散射角超过90,这种散射称为反散射。考虑一束初始强度为I0的单能电子束,当穿过厚度为x的物质时,强度减弱为I,其示意图见图4.3.2-1。强度I随厚度x的增加而减小且服从指数规律,可表示为 (3)式中是该物质的线性吸收系数。实验指出,不同物质的线性吸收系数有很大的差别,但随原子序数Z的增加,质量吸收系数(是该物质的密度)却只是缓慢地变化,因而常用质量厚度来代替线性厚度x,于是式(3)变为 (4)原子核衰变放出高速电子的同时,还放出中微子,因此放出的电子并不是单一能量的,而是具有各种能量分布的连续能谱,因此射线的吸收曲线并不精确地服从指数规律,图4.3.2-2是典型的衰变的能谱图。从图中可以看出,有一最大能量Emax,不同的核发生衰变时,放出的电子能谱的Emax值不同,常以Emax代表射线的特征能量。某些放射性核素会同时发射几种最大能量不同的射线,这就会使实验得到的吸收曲线更为复杂,一般如图4.3.2-3所示。放射性核素衰变还可能伴随射线,加之轫致辐射的影响,伴有X射线,使吸收曲线的尾部偏离指数规律,如图4.3.2-3中的(b)、(c)所示。具有一定最大能量的射线,在具有一定吸收系数的物质中所能穿过的最大厚度,称为该射线在该物质中的最大射程。通常定义通过吸收物质后,射线强度降低到时,所对应的吸收物质厚度d即为射线的射程R。在实际测量中吸收曲线的尾部由于射线和轫致辐射的存在而变平,因此只能根据曲线变平之前的下降趋势按直线外推至处,从而得到射线的射程R。射线的射程与射线的最大能量之间,有经验公式相联系,如吸收物质是铝,则当射程时, (5)式中E为射线的最大能量,单位为MeV。当用质量厚度表示射程R时,对于原子序数相近的物质,射程也近似相同。公式(5)不仅对铝适用,对那些原子序数与铝相近的物质也是适用的。图4.3.2-4给出射线的射程R与其能量E之间的关系曲线,通过该曲线也可由射程求出对应的能量,或由射线的能量找出对应的射程。该图的坐标轴均取对数坐标。实验内容先测量本底计数。加入放射源后,先不加金属片时计数先加薄片,一片一片直到加到89片为止再加厚片89片最后加23片薄片,每次测量计数前将金属片的面积量出。数据处理1.在时间300s,电压1400V时测量本底计数为48。2.加入放射源后的测量。 (1)不加入金属片时测量计数 (2)加入金属片时计数。面积厚度的计算:薄片的质量:557.78mg,厚片的质量:3550mg列表如下:金属片面积()时间(s)计数值面积厚度()转换成10s计数 薄片5.11*6.5510468016.6646800.848595-0.16417薄片4.92*6.4010425134.3742510.770807-0.26032薄片5.00*6.5010376851.5337680.683228-0.38093薄片4.90*6.4010331269.3233120.600544-0.50992薄片4.90*6.6010304286.5730420.551587-0.59496薄片4.85*6.20102900105.1229000.525839-0.64276薄片4.85*6.50102618122.8126180.474705-0.74506薄片4.70*6.30204739141.652369.50.429646-0.84479薄片4.80*6.10204466160.7022330.404896-0.90413薄片105.00*6.50204099177.862049.50.371623-0.98988薄片114.60*6.20203979197.421989.50.360743-1.01959薄片124.70*6.30203616216.2618080.327833-1.11525厚片5.10*6.00404365332.271091.250.197869-1.62015厚片5.10*6.10502899446.38579.80.105131-2.25254厚片5.20*6.00902460560.16273.33330.049562-3.00453厚片4.95*6.002002344679.69117.20.021251-3.85135厚片5.30*6.004001703791.3342.5750.00772-4.86396厚片5.20*5.907001254907.0417.914290.003248-5.72963厚片5.10*6.008005981023.057.4750.001355-6.60366厚片5.20*6.008005421136.836.7750.001228-6.70199薄片136.30*4.708005371155.676.71250.001217-6.71126薄片144.80*6.258005351174.266.68750.001213-6.71499由上表测出铝片的吸收曲线如下:由指数衰减拟合的结果知: 而理论值应当为: 比较知,实验结果与理论值符合的较好。且可以得出铝片的线性吸收系数为: 在半对数坐标纸上绘图如下:线性拟合过程如下:2007-5-24 02:06 /Graph2 (2454244)Linear Regression for Data2_B:Y = A + B * XParameterValueError-A0.043270.07002B-0.005961.17643E-4-RSDNP-0.996130.22371220.0001在拟合所得的直线y=0.04327-0.00596x 中令 y=ln0.0001可得出最大射程为:R=678.4 根据经验公式得出E=1.500MeV思考题1.在测量吸收曲线时,源、吸收物质、探测器等的相对位置和工作条件等是否可以改变?为什么?答:不可以改变。吸收曲线的测量与拟合一定要保持环境的一致,一旦改变环境吸收曲线的拟合便会出现误差,无法得出准确的结论。2.为了更好地反映出吸收曲线的拐点,实验测量点密度应如何分配?答:由于,吸收曲线 的拐点在质量厚度比较大和比较小的时候出现,故在开始时应该测量比较密的点,厚度较大时也应该测量比较密的点。反应在本实验中就是在开始加89片铝片时,先加薄片,这样由于其质量厚度较小就会得出较密的点;然后再加厚片,当质量厚度超过1000时,再加薄片,这样才能保证在两端的实验点比较密集。
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