深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验
实验名称：γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定学院：物理科学与技术学院
专业：物理学班级：08
指导教师：陈羽
报告人：学号：
实验地点S223
实验时间：
实验报告提交时间：
一、实验目的：
1、了解γ射线与物质相互作用的特性。
2、了解窄束γ射线在物质中的吸收规律，测量其在不同物质中的吸收系数。
二．实验内容：
1、测量137Cs的γ射线（取0.661MeV光电峰）在一组吸收片（铅、铝）中的吸收曲线，
并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。
2、测量60Co的γ射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）在一组吸收片
（铅、铝）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。
3、根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。
三、实验原理：
1、γ吸收装置原理
做γ射线吸收实验的一般做法是如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去γ射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录。
本实验中，在γ源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（φ
3 12mm），基本达到使γ射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主
要由于用多道脉冲分析器测γ能谱，就可起到去除γ射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装置就可如上图（b）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比拟的优点。
2、γ射线的三种基本作用
（1）光子(γ射线)会与下列带电体发生相互作用：
①被束缚在原子中的电子；
②自由电子(单个电子)；
③库仑场(核或电子的)；
④核子(单个核子或整个核)。
（2）这些类型的相互作用可以导致下列三种效应中的一种：
①光子的完全吸收；②弹性散射；③非弹性散射。
从理论上讲，γ射线可能的吸收和散射有12种过程，但在从约10KeV到约10MeV 范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种：
ⅰ、低能时以光电效应为主。一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；核电子用其能量的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能；
ⅱ、光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量可损失也可不损失。当光子的能量大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电 子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，即所谓的康普顿效应，光子能量在1MeV 左右时，这是主
要的相互作用方式；
ⅲ、若入射光子的能量超过1.02MeV ，则电子对的生成成为可能。在带电粒子的库仑场中，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc 2=1.022MeV)。 3、γ射线
（1）γ辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z 和质量数A 均保持不变的退激发过程。 （2）窄束γ射线
所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。 “窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”。即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。
（3）γ吸收
①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
线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即
x Nx e I e I I r μσ--==00 （3—1）
其中，I 0、I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm ），σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，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（μ=σr N ，单位为cm ）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。 ②与吸收系数有关的因素
吸收系数μ是物质的原子序数Z 和γ射线能量的函数，且：
p c ph μμμμ++=
式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电子对效应 的线性吸收系数；
其中：5
Z ph ∝μ、Z c ∝μ、2
Z p ∝μ（Z 为物质的原
子序数）
γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之 和。右图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的线 性关系。
③实际工作中常用质量厚度R m （g/cm 2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（3—1）式可表达为
ρμ/0)(R m e I R I -= （3—2）
由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N 总与该时刻的γ射线强度I 成正比，又对（3—2）式取对数得：
0ln ln N R N m
+-
=ρ
μ （3—3） 由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，
将得出一条直线，如右图所示。ρμ/m 可以从这条直线的斜率求出，即
1
21
2ln ln R R N N m --=
-
ρμ （3—4） 物质对γ射线的吸收能力也经常用“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的厚度，记作：
μ
μ
693
.02
ln 2
1=
=
d （3—5）
（4）γ射线通过物质时无射程概念
γ射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；γ射线穿过物质时，强度逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变，因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”来表示γ射线对物质的穿透情况。 4、γ射线的主要特点
（1）γ射线是波长很短的高能电磁波。
（2）它不带电，不具有直接电离的功能，但可以通过和物质的相互作用间接引起电离效应。
（3）γ射线具有很强的穿透能力，在空气中的射程通常为几百米。要想有效地阻挡γ射线，一般需要采用厚的混凝土墙或重金属（如铁、铅）板块。 5、在计算峰面积时的三种方法 （1）全峰面积法（TPA 法）
取两边峰谷l 、r ，把l 道至r 道的所有脉冲计数相加，本底以直线扣除。
这种方法的误差受本底扣除的方式及面积的影响较大；但该方法利用了峰内全部的脉冲数，受峰的漂移和分辨率变化的影响最小，同时也比较简单。 （2）Covell 法
该方法是在峰的前后沿上对称地选取边界道，并以直线连接 峰曲线上相应于边界的两点，把此直线以下的面积作为本底扣除。 此方法提高了峰面积与本底面积的比值，结果受本底不确定的影响较小。但n 的选择对结果的精度有较大的影响，n 选太大，失去采用道数较少的优点；若n 选得太小每则有容易受峰
