《射線的吸收》報(bào)告

1、射線的吸收摘 要： 本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度減弱遵循指數(shù)規(guī)律，測(cè)量射線在不同厚度的樣品中的吸收系數(shù)。通過(guò)對(duì)射線的吸收特性，分析與物質(zhì)吸收系數(shù)有關(guān)的因素。引言由于射線與物質(zhì)的相互作用，使射線通過(guò)一定厚度物質(zhì)后，能量或強(qiáng)度有一定的減弱，稱為物質(zhì)對(duì)射線的吸收。研究物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律，不同物質(zhì)的吸收性能等，在防護(hù)核輻射、核技術(shù)應(yīng)用和材料科學(xué)等許多領(lǐng)域都有重要意義。本實(shí)驗(yàn)是要學(xué)習(xí)和掌握射線與物質(zhì)相互作用的特性，并且測(cè)定窄束射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)光子穿過(guò)吸收物質(zhì)時(shí)，通過(guò)與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量；射線一旦與吸收物質(zhì)原子發(fā)生這三種相互作用，原來(lái)能量為h的光

2、子就消失，或散射后能量改變、并偏離原來(lái)的入射方向；總之，一旦發(fā)生相互作用，就從原來(lái)的入射束中移去。射線與物質(zhì)原子間的相互作用只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移；它不同于帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，經(jīng)過(guò)許多次小能量轉(zhuǎn)移的碰撞來(lái)?yè)p失它的能量。帶電粒子在物質(zhì)中是逐漸損失能量，最后停止下來(lái)，有射程概念；射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱，按指數(shù)規(guī)律衰減，不與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子穿過(guò)吸收層，其能量保持不變，因而沒(méi)有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來(lái)表示射線對(duì)物質(zhì)的穿透情況。本實(shí)驗(yàn)主要研究的是窄束射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束射線是指不包括散射成份的射線束，通過(guò)吸收片后的光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光

3、子所組成?！罢币辉~是實(shí)驗(yàn)上通過(guò)準(zhǔn)直器得到細(xì)小的束而取名。這里所說(shuō)的“窄束”并不是指幾何學(xué)上的細(xì)小，而是指物理意義上的“窄束”。即使射線束有一定寬度，只要其中沒(méi)有散射光子，就可稱之為“窄束”。窄束射線在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱為射線的吸收。射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即： Ix=I0e-x （1）其中，I0是入射射線強(qiáng)度，Ix是透射射線強(qiáng)度，x是射線穿透的樣品厚度，是樣品的線性吸收系數(shù)。顯然的大小反映了物質(zhì)吸收射線能力的大小。需要注意的是，吸收系數(shù)是物質(zhì)的原子序數(shù)和射線能量的函數(shù)。射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都隨吸收物質(zhì)的原子序數(shù)和入射射線的能

4、量改變，因而，射線的線性吸收系數(shù)是三種效應(yīng)的線性吸收系數(shù)之和，即： （2）式中、分別為光電、康普頓、電了對(duì)效應(yīng)的線性吸收系數(shù)。下圖給出了鉛、錫、銅、鋁對(duì)射線的線性吸收系數(shù)與射線能量的線性關(guān)系。圖1 鉛、錫、銅、鋁對(duì)射線的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得透射率T=IX/I0與厚度x的關(guān)系曲線，便可根據(jù)（1）式求得線性吸收系數(shù)的值。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，由于某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)次數(shù)n總是與該時(shí)刻的射線強(qiáng)度I成正比，所以（1）式也可以表示為： nx=n0e-x （3）對(duì)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得： lnnx=lnn0-x （4）顯然，lnn與具有線性關(guān)系，如圖2所示。圖2 lnn-x曲線通常，為了減小測(cè)量誤差，提

5、高測(cè)量結(jié)果的精度，實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)量多組nx與x的值，再進(jìn)行曲線擬合即可。有時(shí)，物質(zhì)對(duì)射線的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的射線強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)厚度，記作x1/2，由（1）式可見(jiàn) x1/2=ln2 （5）顯然，x1/2也是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和射線能量的函數(shù)。利用半吸收厚度，可以粗略估計(jì)射線的能量。實(shí)驗(yàn)儀器NaI閃爍體計(jì)數(shù)器，放射源Cs-137, 鋁片、銅片、鉛片各若干，游標(biāo)卡尺。測(cè)量裝置如圖3所示。圖3 測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1實(shí)驗(yàn)步驟（1）本底測(cè)量，關(guān)閉放射源射線出口，重復(fù)進(jìn)行三次本底測(cè)量，取平均；（2）用游標(biāo)卡尺量出每一片鉛片的厚度；（3）每次在放射源射線出口處加入兩片厚度以

6、知的鉛片，計(jì)數(shù)，測(cè)三組數(shù)據(jù)取平均；（4）對(duì)銅片和鉛片重復(fù)上述的（2），（3）兩步；（5）數(shù)據(jù)處理。2實(shí)驗(yàn)條件（1）放射源：Cs137（編號(hào)N0.432 強(qiáng)度75.3×103 能量0.66MeV)；（2）統(tǒng)一測(cè)量時(shí)間：100s；（3）本底計(jì)數(shù)：(4390+4727)/2=4556。3.數(shù)據(jù)處理方法：最小二乘法由（4）式：lnnx=lnn0-x,設(shè)a=-，b= lnn0, y計(jì)算=lnnx，得： y計(jì)算=b+ax,再設(shè)=i(y測(cè)量i-y計(jì)算i)2=i(y測(cè)量i-b-axi)2 ,根據(jù)最小二乘法：最小為“最優(yōu)判據(jù)”。故可將函數(shù)對(duì)a和b求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)數(shù)為零即可。有： a=-i2y測(cè)量i-b-

7、axixi=0 （6） b=-i2y測(cè)量i-b-axi=0 （7）由此解出a，b即可。需要注意的是：式中的y測(cè)量=ln(n測(cè)量-n本底)4數(shù)據(jù)記錄及處理（1）鉛片對(duì)射線的吸收系數(shù)的測(cè)量編號(hào)i11+21+2+31+2+3+41+2+3+4+5厚度（cm）0.2300.4500.6560.8761.086計(jì)數(shù)n13724122111047192168577根據(jù)式（6）、（7）得到：28.2327=2.6325a+3.2980b43.4979=3.2980a+5.0000b算出：a=-1.0030。故得：鉛樣品的線性吸收系數(shù)為=1.0030cm鉛樣品的半吸收厚度為x1/2=0.6911cm最小二乘法

8、曲線擬合如下圖：（2）銅片對(duì)射線的吸收系數(shù)的測(cè)量編號(hào)12341+4厚度（cm）1.0121.4622.0002.4603.472計(jì)數(shù)n1171310434917483527117根據(jù)式（6）、（7）得到：86.0698=25.2680a+10.4060b42.0824=10.4060a+5.0000b算出：a=-0.4187。故得：銅樣品的線性吸收系數(shù)為=0.4187/cm銅樣品半吸收厚度為x1/2=1.6555cm最小二乘法曲線擬合如下圖：（3）鋁片對(duì)射線的吸收系數(shù)的測(cè)量編號(hào)12341+4厚度（cm）1.0201.4801.9562.4563.476計(jì)數(shù)n146181390513463127

9、6011744根據(jù)式（6）、（7）得到：93.7234=25.1712a+10.3880b45.3467=10.3880a+5.0000b算出：a=-0.1362。故得：鋁樣品的線性吸收系數(shù)為=0.1362/cm鋁樣品的半吸收厚度為x1/2=5.0892cm最小二乘法曲線擬合如下圖：5總結(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)不同的物質(zhì)對(duì)射線的吸收能力是不同的,實(shí)際上即使是同一種物質(zhì)，它對(duì)不同能量的射線的吸收能力也是不同的。在相同的厚度條件下，鉛對(duì)射線的吸收能力大大高于其他兩種材料，這也正是鉛服用來(lái)防護(hù)射線輻射的原因。實(shí)驗(yàn)思考1 設(shè)鉛的=1/cm，鋁的=0.2/cm，為了使輻射強(qiáng)度將為原來(lái)的1/10，所需要防護(hù)層厚度各位多少厘米？答：（1）對(duì)于鉛所需防護(hù)層厚度為x=-ln0.1cm=2.3026cm （2）對(duì)于鋁所需防護(hù)層厚度為x=-ln0.1/0.2cm=11.5129cm2 待測(cè)的透射后光子的能量與入射光子的能量是否相同？為什么？答：本實(shí)驗(yàn)采用的放射源為Cs137（能量0.66MeV)。這一能量范圍附近射線與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)主要以康普頓效應(yīng)為主。光子與吸收物質(zhì)的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子使它反沖出來(lái)，而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了變化。3 實(shí)驗(yàn)布置中，