南京大学近代物理实验-γ射线的能量和强度测量
γ射线的能量和强度测量
摘要：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下受激发光的特性来探测射线的仪器。本实验利用NaI（Tl）闪烁谱仪，进行γ射线的能量和强度测量。
关键词：NaI（Tl）闪烁谱仪，能量分辨率，探测效率
一、实验目的
1.了解NaI（Tl）闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。
2.掌握测量γ射线的能量和强度的基本方法。
二、实验原理
2.1γ射线与物质的相互作用
γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程。
(1)光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子。由于电子束缚能一般远小于入射γ光子的能量，所以光电子动能近似等于入射γ光子的能量。
(2)康普顿散射：入射γ光子与核外电子发生非弹性散射。设入射γ光子能量为hν，散射光子能为hν′，则反冲康普顿电子的动能Ee为
Ee=hν−hν′
康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为
hν′=hν/[1+α(1−cosθ)] (1)
其中α=hν/m e c2为入射γ射线能量与电子静止质量之比。由(1)式可得，当θ=0时，hν=hν′，这时Ee=0，即不发生散射；当θ=180°时，散射光子能量最小，为hν/(1+2α)，这时康普顿电子的能量最大，为
Ee max=hν·2α/(1+2α)(2)
所以康普顿电子能量在0至Ee max之间变化。
(3)正负电子对产生：当γ射线能量超过2 m e c2(1.022MeV)时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化为正负电子对。入射γ射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对能量各为0.511MeV的γ光子。
2.2闪烁谱仪结构与工作原理
NaI(Tl)闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发或电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正负电子对，然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发出的光被闪烁体外的光反射层反射，汇聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。
2.3闪烁谱仪的能量分辨率
由于形成阳极电流脉冲之前的各种过程的统计性质，对应于某一定能量的粒子，光电倍增管的输出脉冲仍有起伏，通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度ΔU1/2与计数率最大值对应的脉冲幅度U0之比定义为能量分辨率ε。由于粒子能量与脉冲幅度成正比，故有
ε=ΔU1/2/U0=ΔE/E(3)
2.4闪烁谱仪的能量线性关系
利用闪烁谱仪做γ射线能量测定时，最基本的要求是在入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间有确定的关系；对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应呈线性关系；对于实际NaI(Tl)闪烁谱仪在较宽的能量范围内是近似线性的。这是利用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重要依据。通常。在实验上利用系列γ标准源。测量相应全能峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量及其对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典型的能量刻度曲线为不通过原点的一条直线，即
Ex p=Gx p+E0 (4)
式中x p为全能峰峰位(峰道址)，E0为直线截距，G为增益(单位脉冲幅度对应的能量)。能量刻度曲线可以选用标准源137Cs和60Co来标定。
2.5闪烁谱仪的探测效率
设γ源的发射强度为S，则γ谱仪的探测效率η为
η=n/S (5)式中n为全能峰的总计数率。用这种方法定义的探测效率称为源峰探测效率。n可用下式求得n=N/t (6)
式中N 为全能峰的净计数，t 为计数时间。
2.6 γ辐射强度测量
在相同条件下，分别测得标准源的全能峰面积为N 0和待测样品的全能峰面积N x ，设标准源的强
度为S ，待测样品的强度为S x ，则有
S x =N x ·S 0/N 0 (7)
三、实验仪器
实验采用NaI(Tl)闪烁谱仪，它由探头(包括闪烁体、光电倍增管、射极跟踪器)，高压电源，线
性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。
四、实验步骤：
(1)检查实验装置，打开电源和相应软件，进入多道分析工作状态；
(2)使用137
Cs 标准源，测量γ谱仪的能量分辨率ε及探测效率η；
(3)测量137Cs 标准源的γ能谱；
(4)测量60Co 待测源的γ能谱；
(5)改变源的位置，重复(4)的测量；
(6)测量结束，把高压降至0，关机。
五、数据处理及误差分析
实验原始数据参见附在实验报告末尾处的实验记录。
1.对于432号标准源137Cs ，其源强为3S=75.310Bq ⨯ ，特征γ辐射能量为0E =0.66MeV γ 。实
验时间为t=100s ，测得全能峰道址为x 0=387，半高宽左道址为x ’=361，右道址为x ’’=405，全能峰净
计数为N=66495。则由（5）式，（6）式可得探测效率η为 N =
t S η⋅ =0.883% 半高宽x=x''-x'=44∆ ,能量分辨率为0
11.4%x x ε∆== 。
2.对于11号标准源60Co ，其源强为S 0=3
64.810Bq ⨯，特征γ辐射右全能峰能量为2E =1.33MeV γ。实验时间为t=600s 。测得右全能峰道址为x 2=712，左全能峰净计数为N 0=3112.则由以上数据可以确定闪烁谱仪的能量刻度曲线为
30E G x E =(2.0610x 0.13782)MeV x -=⋅+⨯-
将测得的左全能峰道址x 1=630代入上式，求得与x 1对应的能量为E x1=1.16095MeV,与标准值 E γ1=1.17MeV 的误差为0.77%，在测量允许的误差范围内。
3.对于待测的12号标准源60
Co ，实验测得其左全能峰净计数为Nx=4006，左全能峰道址为x 1=644，右全能峰道址为x 2=730，左峰左边界道址为x l =576，右峰右边界道址为x r =671。
由（7）式可得该待测源强度Sx 为 030=83.·410Bq /x x S N S N ⨯=
与标准值3
79.110Bq ⨯的误差为5.4%。
4.降低11号标准源60Co 的高度，重新测量一次，测得x 1=584，x 2=665，N x ’=1846。可以看出，其全能峰道址基本没有发生移动，但全能峰的净计数发生了变化，这说明改变源的位置，样品的特征γ辐射能量不受影响，但仪器的探测效率会发生改变。
误差分析：
实验中主要的误差来源在于确定道址数时小范围内有多个符合条件的道址取值，这导致道址的读数存在一定的主观随意性。改进的方法是延长测量时间增加取样点数，使测得的图线更加平滑，道址的选取更加准确。
六、思考题
1. γ射线与物质有哪三种主要作用，各有什么特点？
答：γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程。
1) 光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子，光电子动能近似等于入射γ光子的能量。
2) 康普顿散射：入射γ光子与核外电子发生非弹性散射，康普顿电子能量在0至Ee max 之间变化，其中Ee max 如(2)式所示。
3)正负电子对产生：入射γ射线能量超过2 m e c2时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可激发正负电子对。入射γ射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对能量各为m e c2的γ光子。
2. 何为全能峰？全能峰的计数主要来自于哪些作用的贡献？
答：γ光谱中由光电效应形成的光电峰能量与入射γ射线能量几乎相等，称为全能峰。其计数主要来源于光电效应，此外，多次康普顿散射的累计效应和两个湮没光子被全吸收时的电子对效应，对全能峰也有贡献。
3.当改变γ源与探头之间的距离时，探测效率有无变化？为什么？
答：有变化。γ源与探头之间的距离改变时，γ源对探头所张的立体角必然发生变化，γ光子被探头吸收的几率必然发生变化，从而引起探测效率的改变。
4.在对γ辐射进行能量测量时，样品的位置改变对测量结果有无影响？为什么？
答：没有影响。γ辐射的能量只取决于所用核素的种类，与样品位置的改变没有关系。
参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.
南京大学近代物理实验-γ射线的能量和强度测量
γ射线的能量和强度测量 摘要：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下受激发光的特性来探测射线的仪器。本实验利用NaI（Tl）闪烁谱仪，进行γ射线的能量和强度测量。 关键词：NaI（Tl）闪烁谱仪，能量分辨率，探测效率 一、实验目的 1.了解NaI（Tl）闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。 2.掌握测量γ射线的能量和强度的基本方法。 二、实验原理 2.1γ射线与物质的相互作用 γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程。 (1)光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子。由于电子束缚能一般远小于入射γ光子的能量，所以光电子动能近似等于入射γ光子的能量。 (2)康普顿散射：入射γ光子与核外电子发生非弹性散射。设入射γ光子能量为hν，散射光子能为hν′，则反冲康普顿电子的动能Ee为 Ee=hν−hν′ 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为 hν′=hν/[1+α(1−cosθ)] (1) 其中α=hν/m e c2为入射γ射线能量与电子静止质量之比。由(1)式可得，当θ=0时，hν=hν′，这时Ee=0，即不发生散射；当θ=180°时，散射光子能量最小，为hν/(1+2α)，这时康普顿电子的能量最大，为 Ee max=hν·2α/(1+2α)(2) 所以康普顿电子能量在0至Ee max之间变化。 (3)正负电子对产生：当γ射线能量超过2 m e c2(1.022MeV)时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化为正负电子对。入射γ射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对能量各为0.511MeV的γ光子。 2.2闪烁谱仪结构与工作原理
南京大学物理系本科近代物理教学大纲（最终定稿）
南京大学物理系本科近代物理教学大纲（最终定稿） 第一篇：南京大学物理系本科近代物理教学大纲 《近代物理实验》教学大纲 一、实验教学目标与基本要求 近代物理实验是继普通物理实验和无线电电子学实验后的一门重要的基础实验课程，具有较强的综合性和技术性。 本课程的主要目的是：通过近代物理实验丰富和活跃学生的物理思想，培养他们对物理现象的观察能力和分析能力，引导他们了解实验物理在物理概念的产生、形成和发展过程的作用，学习了近代物理中的一些常用方法、技术、仪器和知识，进一步培养正确的和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生获得一定程度的实验方法和技术研究物理现象和规律的独立工作能力。 １．学习如何用实验方法和技术研究物理现象与规律，培养学生实验过程中发现问题，分析问题和解决问题的能力，以及创新能力。 ２．学习了近代物理某些主要领域中的一些基本实验方法和技术，掌握有关的仪器的性能和使用。 ３．通过实验加深对近代物理的基本现象及其规律的理解。４．巩固和加强有关实验数据处理及误差分析方面的训练。 ５．培养实事求是，踏实细致，严肃认真的科学态度和克服困难，坚韧不拔的工作作风以及良好的实验素养。 本课程的教学方式是在教师指导下，学生独立进行实验，教学中提倡学生之间的讨论和交流。教学过程分为预习、操作和撰写实验报告三个教学环节。 本课程的考核方法是以平时成绩为主，期终采取笔试或口试或操作考核，最后综合评定成绩，按百分制给成绩。 二、实验课程内容与学时分配 本课程为一学年。其中第一学期和第二学期各8个实验，共要求学生完成16个实验。 114
三、实验题目及其目的和实验内容 原子、分子与量子物理：钠原子的发射光谱，CCl4分子振动拉曼散射光谱，黑体辐射，塞曼效应； 核物理与相对论：核磁共振，NaI(TI)闭烁谱仪和γ射线在物质中的吸收，相对论效应；真空物理与致装冷技术：高真空的获得与测量，真空镀膜及铜膜的霍尔效应和电阻率的测量，汽液两相致冷机； 微波与光学：反射速调管工作特性，Properties of Klystrons and wave-guides 速调管和波导管特性，Optical Properties of microwaves 微波的光特性，光拍法测量光速； 固体物理：微波段电子自旋共振，电子衍射，用椭圆偏振仪测定薄膜的厚度和折射率，铁磁共振，热电子发射规律研究，红外分光计应用，紫外分光计应用，Dielectric properties of microwaves 微波介质介电常数测量，光磁共振，穆斯堡尔谱仪，扫描隧道显微镜； 先进测量技术：锁相放大器应用－PN结电容的测量，工业CT，计算机自动测量，Virtual Instruments 虚拟仪器，光纤光栅传感实验。 一、原子、分子与量子物理 实验 一、钠原子的发射光谱实验目的： 对钠原子光谱的观察与拍摄，分析测量计算其谱线的波长、量子亏损及光谱线的固定项，绘制能级图。实验内容： 1、钠原子光谱的拍摄； 2、辨认和测量钠原子光谱； 3、数据处理 实验 二、CCl4分子振动拉曼散射光谱实验目的： 通过对一些典型分子的常规喇曼谱进行测量，达到对这方面的基本原理和基本实验技术有一定的了解。实验内容： (1)基本实验：记录CCl4 分子的振动喇曼谱；(2)选做实验：测CCl4 分子的偏振喇曼谱并求其退偏比；识别某些化学样品。 115
γ射线能谱测量实验报告(共12页)
γ射线能谱测量实验报告 篇一：γ射线能谱的测量及γ射线的吸收 γ射线能谱的测量及γ射线的吸收 与物质吸收系数μ的测定 【摘要】原子核从激发态跃迁到较低能级或基态跃迁能产生γ射线，实验，将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布。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】γ闪烁谱仪γ射线能谱物质吸收系数 当今的世界，以对核技术进行了相当广泛的运用。从1896年法国科学家A.H.Becquerel发现放射性现象开始，经过M.Curie一些新放射性元素的发现及其性质进行研究后，人类便进入了原子核科学时代。在原子核发生衰变时，会发出α、β、γ射线，核反应时会产生各种粒子。人们根据射线粒子与物质相互作用的规律，研制了各种各样的探测器。这些探测器大致可以分为“信号型”和“径迹型”两大类。径迹型探测器能给出粒子运动的径迹，有的还能测出粒子的速度、性质等，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、多丝正比室等。而信号型探测器根据工作物质和原理的不同，又可分为气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器。其中闪烁探测器的工作物质是有机或无机的晶体闪烁体，射线与闪烁体
相互作用，会使其电离激发而发射荧光。从闪烁体出来的光子与光电倍增管的光阴极发生光电效应而击出光电子，光电子在管中倍增，形成电子流，并在阳极负载上产生电信号。如NaI(TI)单晶γ探测器。 γ射线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。人们已经对γ射线进行了很多研究，并在很多方面加以运用。像利用γ射线杀菌，γ探伤仪等。然而不恰当的使用γ射线也会对人类产生一定的危害。γ射线的穿透力非常强，如果在使用过程中没有有效的防护，长时间被放射性元素照射的话可能发生细胞癌变。在对γ射线进行了大量的研究后发现，按能量的不同，可以对其进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布（能谱）。测量γ射线能谱的装置就是上面所提到的NaI(TI)单晶γ闪烁探测器。 在γ射线能谱的测量试验中，对实验装置有了一定的了解后，我们对137Cs、60Co进行了γ能谱的测量，以下变是试验所得的数据： 根据以上的实验数据，最终实现了能谱图样的输出（见附表）。以上的实验让我们见识到了γ射线的一些性质，出于使用安全的考虑，研究人员对防辐射方面也进行了大量的研究，一些物质对γ射线的吸收情况也得以大致了解。这对我们更好更安全地利用γ射线打下了坚实的基础。为了跟上时代的步伐，我们也对物质对γ射线的吸收进行了相关的实验。γ射线的吸收与物质吸收系数μ
用闪烁谱仪测γ射线能谱实验报告
实验报告 陈杨 PB05210097 物理二班 实验题目:用闪烁谱仪测γ射线能谱 实验目的: 1. 学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法。 2. 学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 实验原理: 闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 上时，就发射γ射线（即波长约在1nm ~ 0.1nm 间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量 12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。由此看出原子 核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线强度按能量的分布。 （1）闪烁谱仪测量γ射线能谱的原理 闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。 闪烁体的发光机制 闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机晶体闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有
机塑料闪烁体等。此处仅对常用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单介绍。 最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常写为NaI (T1)，属离子型晶体，是绝缘体，按固体物理的概念，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带。如有带电粒子进入到闪烁体中，引起后者产生电离或激发过程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带的可能过程之一是发射光子。这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离过程，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到。为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图2.2.1-1示意图。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体才能成为实用的闪烁体。对于无机晶体NaI (T1)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度
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Nal(Tl)单晶能谱仪探究γ射线吸收系数与γ光子能量的关系 复旦大学 08物理系吕正大 【摘要】: γ射线强度的测量是核技术中非常重要的一个分支。γ能谱的测量，可用于鉴别不同的放射性物质，γ射线在物质中的吸收系数在工业设计中也有着重要的应用。本文采用量子散射理论，分析了γ射线在物质中的吸收系数μ与γ光子能量E的关系，并使用NaI(Tl)单晶能谱仪，对其进行了验证。提供了一种估算γ射线在物质中的吸收系数的方法。 【关键词】γ能谱吸收系数量子散射理论 1引言 ①γ射线强度的测量可确定原子核激发态能级，在放射性分析、同位素应用中有广泛的应用。γ射线能量测量常常利用γ射线与γ能谱仪相互作用产生次生电子，测得次生电子能量并绘出次生电子能量分布的谱线，即γ能谱。 本实验采用NaI(Tl)单晶能谱仪。测量不同能量的γ光子在铅片中的吸收系数μ，分析得到γ光子在铅片中的吸收系数μ与γ光子能量E的关系μ=μ(E)。并进一步利用量子散射理论，提出了一种计算高能光子在金属中衰减系数的方法。 2实验原理 （一）γ射线与物质的相互作用② γ射线与物质相互作用的效应有以下几种： (1)光电效应：即物质在光子的照射下释放出电子的过程。出射光电子的能量等于入射光子的能量减去逸出功： =Eγ?B i≈Eγ E 光电子 式中Eγ为γ射线光子能量，B i为原子内电子的电离能。由于电子被束缚在原子核周围，因此可以认为与γ光子产生作用的电子是静止的；同时，光电子脱离原子的电离能又远远小于γ光子的能量，因此与γ光子作用时，又可以认为原子 ①《近代物理实验》刘春光主编东北师范大学出版社2008年 ②《原子核物理实验方法（上册）》复旦大学清华大学北京大学合编原子能出版社1981年
γ射线的简介
Kr—常数，32.9×10-16C·m3(Kg·h·Bq) —5.42×10-7 C/(Kg·h) N X δ—透明厚度，单位：mm h—半价层（8.78） Rx—安全防护距离，单位：m 当源活度为16 Ci，透明厚度为18mm时，由上述公式计算得，安全防护距离为29m。 3）放射性活度：放射性活度是表示放射性核素特征的物理量，它的定义为处于特定能态的一定量的放射性核素，在dt时间内发生核跃迁数的期望值除以dt。放射性活度用A表示，单位用贝克（勒尔），符号为Bq.1贝克一个物质的放射性强度的大小通常不用体积或质量的大小来衡量，而是用放射性活度来表示。放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度。在1975年国际计量大会上，规定了放射性活度的国际单位是秒的倒数（s-1），1Bq就是放射性物质在1秒内有1个原子核发生衰变。2.5MBq/L就是在1升样品中每秒有2.5M个原子发生衰变。放射性强度是放射性物质的固有属性，只和放射性物质的多少（浓度）有关，而这和温度、压强等外界条件无关。 1居里=3.7×1010贝克 居里的符号是Ci。 2.不可见光 当人类观察太空时，看到的为“可见光”，然而电磁波谱的大部分是由不同辐射组成，当中的辐射的波长有较可见光长，亦有较短，大部分单靠肉眼并不能看到。通过探测伽马射线能提供肉眼所看不到的太空影像。2008年，美国发射的费米太空望远镜，就是通过伽马射线探查宇宙的。 太空中的伽马射线 在太空中产生的伽马射线是由恒星核心的核聚变产生的，因为无法穿透地球大气层，因此无法到达地球的低层大气层，只能在太空中被探测到。太空中的伽马射线是在1967年由一颗名为“维拉斯”的人造卫星首次观测到。从20世纪70年代初由不同人造卫星所探测到的伽马射线图片，提供了关于几百颗此前并未发现到的恒星及可能的黑洞。于90年代发射的人造卫星（康普顿伽马射线观测台），提供了关于超新星、年轻星团、类星体等不同的天文信息。 伽马射线的波长与形成 γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线还要短。一般波长<0.001纳米。 在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
实验报告 课程名称：近代物理实验II 实验项目名称：γ射线的多道测量专业：物理学 学号： 姓名： 联系方式： 实验地点： 实验日期： 上交日期： 指导教师：
1、前言和实验目的 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及测量其在不同物质中的吸收系数 2、实验原理 γ射线是原子核从激发态跃迁到基态释放出的光子。γ射线与被束缚在原子中的电子、自由电子、库仑场(核或电子的)、核子(单个核子或整个核)相互作用，可导致以下三种结果： a) 低能时，光电效应为主； b) 康普顿效应； c) 若入射光子的能量超过1.02MeV ，则电子对的生成成为 可能。 从上面可看出，不论发生哪种情况，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。 本实验研究的主要是窄束γ射线在物质中的吸收规律。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 ，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++= 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。 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 -= 对上式取对数得： 0ln ln N R N m +- =ρμ 可见，ρμ/m 可以从这条直线的斜率求出，即 1212ln ln R R N N m --=- ρμ 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
γ能谱测量实验教案
γ 能 谱 测 量 实 验 教 案 一、教学目的及要求： 1．通过对典型的Cs 137，初步了解闪烁谱仪的结构、工作原理和测量方法； 2. 对γ射线与物质的相互作用有进一步的认识； 3．学习初步调整γ闪烁能谱仪的技术，测定 Cs 137、Co 60能谱； 4．掌握测定未知γ源能量的方法。 二、教学内容： 1．测定以Cs 137、Co 60作标准源的γ能谱能量刻度的全能峰曲线； 2．测定待测源的γ射线能量； 3．用多道分析仪代替单道分析仪，测定 Cs 137、Co 60的γ能谱，与单道分析仪测量的结果比较。 三、教学重点难点： 1．重点：测定以Cs 137和Co 60作标准源的γ能谱能量刻度的全能峰曲线； 2．难点：如何正确掌握放大倍数、高压大小的合理选择。 四、教学进程及时间分配： 1．检查学生实验预习情况。 （ 8min ） 检查学生预习报告； 2．学生熟悉实验仪器设备。 （ 50 min ） 3．讲解实验的目的和要求。 （ 2 min ） 4．实验原理介绍 （ 15 min ） ◆ 提问：γ 射线与物质相互作用会产生哪几种效应？产生的原因是什么？ （1）射线与物质相互作用的一般特性 射线穿过物质时，它的强度按指数规律衰减。γ 射线与物质相互作用的过程可以看作光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程，主要的相互作用方式有三种光电效应，康普顿效应和电子对效应。 光电效应：当入射 光子与物质原子中的束缚电子作用时，γ 光子把能量全部 移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而光子本身消失掉。这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子称为光电子。由于 射线的能量γE 远大于电子的束缚能i W ，所以光电子的能量i W E E -=γ光电，即光电子的动能近似地等于射线的能量。 康普顿效应：光子与原子的外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子使它脱离实验课程 近代物理实验（1） 使用教材 《近代物理实验教程》 实验名称 γ能谱测量 出 版 社 科学出版社 教学时数 6学时 主 编 吴先球 熊予莹
近代物理实验学习指南
学习指南 关于教学团队 教学团队中，博士生导师、教授、副教授、讲师的比例分别为47% 、54% 、13% 、33% ，高级职称比例达到67% 。指导教师全部具有博士学位。80%以上具有国内其他学校或研究单位学习或科研经历，70% 以上具有国外学习或工作经历。教学团队中41-51 岁年富力强的教师比例为46% ，31-41 岁6 的教师的比例为47% 。
关于近代物理实验物理学是一门以实验为基础的科学，近代物理实验在整个物理实验教学中是重要一环，它处在普通物理实验和专门化实验之间，具有承上启下的作用。 13 世纪以前，科学处于黑暗时期，欧洲政教统治一切。罗杰尔·培根( Reger Bacon1214-1292 )提出“检验前人说法的唯一方法，只有观察和实验”这是科学需要实验的第一声。随之这个时代出现了哥白尼( 1437- 1543 )、开普勒 ( 1571-1630 )、伽利略( 1560-1642 )、吉尔伯特( 1540-1630 )和牛顿 ( 1642-1727 )等著名的科学家，他们通过“敏于观察、勤于思考”的科学方法，为人类社会的进步作出了杰出贡献。伽利略所做的著名的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了依据，其用实验研究物理的思想使物理学研究走上了正确道路。正如爱因斯坦的评价：“伽利略的发现，以及他用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端” 。 纵观物理学的发展史，从经典物理到近代物理、进而到现代物理，每前进一步都是以物理实验为基础的，每一个重大理论的提出和完善都离不开物
理实验的验证。这样的例子比比皆是，大家都很熟悉。经典物理中，在力学方面，库仑通过摩擦实验提出了摩擦公式；胡克通过弹性实验总结出弹性定律，开普勒依据弟谷·布拉赫所积累的大量观测实验资料，把哥白尼的圆轨道改为椭圆轨道得出了开普勒三定律，牛顿在实验基础上总结出牛顿三定律，焦耳通过热功当量实验证明了能量转化和守恒的普遍规律；电磁学中的一系列定律，象库仑定律、欧姆定律、安培定律、法拉第电磁感应定律等等无一不是对实验的总结；罗兰通过实验明确了电与磁的联系，导致了洛仑兹的电子论，奠定了电学理论的基础。赫兹通过电磁波实验，使麦克斯韦的电磁场理论得到了证实。光学上牛顿的色散实验，对认识光的本性和建立颜色理论有着深刻的影响，为光谱学的发展开辟了道路。托马斯·杨的双缝干涉实验，为光的波动学说提出了确凿证据。麦克尔逊- 莫雷实验动摇了19 世纪占统治地位的以太假说，为爱因斯坦创立狭义相对论铺平了道路。在近代物理学的发展中，实验也起了决定性的作用。例如，本世纪初，在归纳了一些初步实验事实的基础上，曾提出了两种原子结构模型，其一为汤姆逊 ( J.J.Thomson )提出的所谓“西瓜”模型；另一为卢瑟福 (E.Rutherford) 提出的有核模型。这两种模型究竟哪一个反映原子结构的真实面貌，要靠实验结果来检验。随后，盖革(H.Gerger) 和马斯登 (E.Marsden) 观察氦原子核在金属铂上的散射规律，发现存在偏转角度大于 90 。，甚至接近180 。者。经过分析计算，这只有在原子中的正电荷是集中在很小的区域内时才有可能，从而支持了卢瑟福的有核模型，否认了认为原子中正电荷是均匀分布在整个原子中的西瓜模型。这说明实验是检验理论正确与否的唯一标准。核物理时代就此开始。在现代和将来实验对物理学
γ射线的能谱测量和吸收测定_实验报告
γ射线能谱的测量 【摘要】某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，γ射线产生的原因正是由于原子核的能级跃迁。我们通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。因此本实验通过使用γ闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱。同时学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性,并且测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。 【关键词】γ射线能谱γ闪烁谱仪 【引言】从1896年的法国科学家贝可勒尔发现放射性现象开始，经过居里夫人等一系列科学家对一些新放射性元素的发现及其性质进行研究的杰出工作后，人类便进入了对原子核能研究、利用的时代。 而原子核衰变能放出α、β、γ三种射线，这些射线可以通过仪器精确测量。本次实验主要研究γ射线，通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。 因此本次实验研究了不同材料对于γ射线的吸收情况这是非常具有实际意义的，比如在居民区制造防空洞的时候可以使用一定厚度的抗辐射材料确保安全，而且在核电站、军事防护地以及放射源存放处等地方我们都有必要使用防辐射材料。 γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如下图所示。 本实验主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。窄束γ射线再穿过物质时，由于上述三种效应，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。 本次实验仪器如下：
近代物理实验
实验9-3 γ射线的吸收与物质吸收系数的测定 测量物质对γ射线的吸收规律，不仅有助于了解γ射线与物质的相互作用机理，而且，作为一种重要的实验方法，在许多科学领域都发挥着巨大的作用。例如，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。 【实验目的】 1、进一步认识γ射线与物质相互作用的规律。 2、测量不同能量的窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。 【实验原理】 γ射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于低能γ射线，与物质的作用以光电效应为主，如果γ射线能量接近1MeV ，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过1.02MeV 时，就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，由于上述三种效应，其强度会减弱，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 x x N e I e I I r μσ--==00 （9-3-1） 其中I 0和I 分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），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原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（N r σμ=，单位为㎝-1）。显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。 需要注意的是，由于γ射线与吸收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γE 和吸收物质的原子序数Z 而变化，所以线性吸收系数μ是吸收物质的原子序数Z 和γ射线能量γE 的函数。 考虑到σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为 p c ph μμμμ++= （9-3-2） 式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且 ?? ? ??∝∝∝25Z Z Z p c ph μμμ （9-3-3） 从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z 之间的复杂关系。 对于线性吸收系数μ与γ射线能量γE 之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同
实验1 γ射线能谱的测量实验报告
近代物理实验报告γ射线能谱的测量 学院数理与信息工程学院 班级光信081班 姓名陈亮 学号08620114 时间 2011年04月27日
Υ射线能谱的测量 班级：光信081 姓名：陈亮学号：08620114 摘要： 学会NaI(Tl)单晶Υ闪烁体整套装置的操作、调整和使用；在此基础上测量137Cs和60Co 的Υ能谱，求出能量变化率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形；了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶Υ谱测量中的数据采集及其基本功能，在数据处理中包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等。通过测量137Cs和60Co的Υ射线的吸收曲线，研究Υ射线与物质（被束缚在原子中的电子、自有电子、库仑场、核子）相互作用的特性，了解窄束Υ射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。 关键字： Υ射线能谱物质吸收系数μ光电效应康普顿效应电子对效应 引言： 原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的射线，将射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。 闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。 γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。 γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪（利用晶体对γ射线的衍射）直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
Gama吸收
Nal(TI)闪烁谱仪和r射线在物质中的吸收 测量Υ射线的强度和能量是核辐射探测的一个重要方面，在核物理研究中，测量原子核的激发能级、研究核衰变纲图、测定短的核寿命及进行核反应实验等，都需要测量Υ射线，在放射性同位素的工业、农业、医疗和科学研究的各种应用中也经常使用Υ射线和要求进行Υ射线的各种测量。 在Υ射线测量工作中广泛使用Nal(TI)单晶能谱仪和Ge（Li）半导体能谱仪，由于后一谱仪具有高的能量分辨率，同时使用计算机技术，使Υ射线的能谱测量工作在广度和精度方面都有很大的进展。Ge（Li）半导体谱仪虽然具有高的分辨率和良好的线性，但是它要求在低温下保存和使用，且要定期加液氮，这显然是不方便的，而且它对仪器设备有较高的要求，价格也较贵，而Nal(TI)单晶Υ谱仪则有较高的探测效率，保管和使用都较为方便，所以在一般情况下尽可能使用Nal(TI)单晶闪烁探测器Υ能谱仪。 实验目的 1、了解Nal(Ti)闪烁谱仪的工作原理、特性与结构。 2、掌握Nal(TI)闪烁谱仪的使用方法。 3、学习分析实验测得的137C S、60C O谱之谱形。 4、测定物质的r吸收系数 实验原理 一、Υ射线与物质的作用过程可以看作Υ光子与物质中原子或分子碰撞损失能量的过程。主要的相互作用方式有三种：光电效应、康普顿效应和电子对效应。 （1）光电效应，当入射Υ光子与物质原子中的束缚电子作用时，Υ光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而Υ光子本身消失掉。这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子称为光电子。由于Υ射线的能量Er远大于电子的束缚能W，所以光电子的能量 E光电=E V-W1≈E V （1） 120
伽马射线吸收系数的测量
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定 初阳学院综合理科081班马甲帅08800140 指导老师林根金 摘要： 本实验研究的主要是窄束γ射线在金属物质中的吸收规律。测量γ射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。通过对γ射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的面密度，厚度等因素有关。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。 关键词：γ射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源 引言：γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线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和质数A均保持不变的退激发过程。γ射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。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 1实验原理 1.1 γ射线与带电体的作用原理 γ射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，γ射线可能的吸收核散射有12种过程。这些效应所释放的能量在10KeV到10MeV之间的只有三种，也就是基本上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是： 1.1.1光电效应： 低能γ光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。 1.1.2 康普顿效应： γ光子还可以被原子或单个电子散射，当γ光子的能量（约在1MeV）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，发生康普顿效应。 1.1.3 电子对效应： 若入射光子的能量超过1.02MeV，γ光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、负电子对，产生的电子对总动能等于γ光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三种γ射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对γ射线的吸收规律如下： 1.2.1作用特点：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
近代物理实验练习题参考答案
《近代物理实验》练习题参考答案 一、填空 1.核物理实验探测的主要对象是核衰变时所辐射的β射线、γ射线和中子。因为这些粒子的尺度非常小，用最先进的电子显微镜也不能观察到，只能根据射线与物质相互作用产生的各种效应实现探测。 2.探测器的能量分辨率是指探测器对于能量很接近的辐射粒子加以区分的能力。用百分比表示的能量分辨率定义为： ％峰位置的脉冲幅度宽度最大计数值一半处的全1000 V V ⨯∆=R 。能量分辨率值越小，分辨能力越强。 3.γ射线与物质相互作用时，其损失能量方式有两种，分别是电离和激发。其中激发的方式有三种，它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。 4.对于不同的原子，原子核的质量 不同 而使得里德伯常量值发生变化。 5.汞的54 6.1nm 谱线的塞曼分裂是 反 常塞曼效应。 6.由于氢与氘的 能级 有相同的规律性，故氢和氘的巴耳末公式的形式相同。 7.在塞曼效应实验中，观察纵向效应时放置1/4波片的目的是 将圆偏振光变为线偏振光 。 8.射线探测器主要分“径迹型”和“信号型”两大类。径迹型探测器能给出粒子运动的轨迹，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。这些探测器大多用于高能核物理实验。信号型探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。根据工作原理的不同又可以分成气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种，这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。 9.测定氢、氘谱线波长时，是把氢、氘光谱与铁光谱拍摄到同一光谱底片上， 利用 线性插值 法来进行测量。 10.在强磁场中，光谱的分裂是由于 能级 的分裂引起的。 11.原子光谱是 线状 光谱。 12.原子的不同能级的总角动量量子数J 不同，分裂的子能级的 数量 也不同。 13.盖革－弥勒计数管按其所充猝灭气体的性质，可以分为①有机管和②卤素管两大类。坪特性是评价盖革－弥勒计数管的重要特性指标。包括起始电压、坪长、坪斜等。一只好的计数管，其坪长不能过短，对于③有机管，其坪长不能低于150伏，对于④卤素管，其坪长不能低于50伏。坪斜应在⑤0.1----0.01%每伏___以下。计数管工作时工作点应选在坪区的⑥左1/3-1/2__处。 14.由于光栅摄谱仪的色散接近线性，所以可以使用 线性插值法 测量光谱线波长。 15.必须把 光源 放在足够强磁场中，才能产生塞曼分裂。 二、简答题 1.如何区分盖革－弥勒计数管的正负极？ 答：盖革－弥勒计数管的结构通常有两个电极，其中和外部阴极筒相连的电极是阴极（负极），和中间阳极丝相连的是阳极（正极）。 2、 在单道闪烁γ谱仪实验中，为什么要先粗测谱型？ 答：这是因为单道有一定的分析范围，在本实验中所使用的单道，其分析范围为0－10V 。在实验中我们先通过示波器观察，将核信号输出的脉冲高度调至8伏左右，由于示波器只是定性观察的仪器，并不能精确保证光电峰的位置也在8伏左右，因而为保证所有的信号脉冲都能够落在单道的分析范围以内，防止只测到半个光电峰的情况出现，需要用线性率标或者
伽马射线的吸收实验报告
实验3：伽马射线的吸收 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。 内容 1． 选择良好的实验条件，测量60 Co 〔或 137 Cs 〕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 x Nx e I e I I r μσ--==00 〔 1 〕 其中I I ,0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〔单位为cm 〕，r σ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〔N r σμ=，单位为1 =cm 〕。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。由式我们可以得到 x e n n μ-=0 〔 2 〕 ㏑n=㏑n 0-x μ 〔 3 〕 可见，如果在半对数坐标纸上绘制吸收曲线，那末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γE 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γE 的函数。 p c ph μμμμ++= 〔 4 〕 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 〔 5 〕 2 Z p ∝μ 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m μ来表示。
近代物理实验报告—γ能谱用β粒子验证相对论动量-能量关系
γ能谱用β- 粒子验证相对论动量-能量关系 【摘要】 本实验通过测量高速运动的β-粒子的动量与能量关系研究了经典力学与相对论力学在高能端的差异性。证明牛顿力学只适用于低速运动的物体，当物体的速度接近光速时，必须使用相对论力学。 关键词：经典力学、狭义相对论、γ能谱、- β粒子 一、引言 爱因斯坦狭义相对论揭示了高速运动物体的运动规律，创立了全新的时空观，适用于近代物理各个领域，尤其是核物理和粒子物理方面。通过实验学习γ光子和β- 粒子与物质的相互作用以及β磁谱仪和β闪烁谱仪的测量原理和使用方法。 二、实验原理 1、牛顿力学动量与动能之间的关系 牛顿的绝对时空观认为时间和空间是具有绝对性的两个独立的概念，力学相对性原理说明：同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量可通过伽利略变换互相联系，即力学规律在伽利略变换下不变。 在牛顿力学中，任何物体的质量m 0都是一个常量，当其以速度υ运动时，其动量p 和动能E k 分别为： p =m 0v （1） k E = 201 2 m v （2） 所以动量与动能的关系为： k E =20 12p m （3） 2、狭义相对论中动量与动能之间的关系 19世纪末至20世纪初，人们试图将伽利略变换和力学相对性原理推广到电磁学和光学时遇到了困难。实验证明牛顿力学对高速运动的物体是不适用的，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论并导出从一个惯性系到另一个惯性系的洛伦兹变换变换方程。 在洛伦兹变换下，质量和速度v 的关系为 : m = （4） 其中m 0是物体的静止质量，电子质量m 0=0.91093897×10-30 kg ，而动量p 和能量E 的表达式为： （5） p mv ==
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【摘要】 我们知道原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，而通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。因此本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱；根据当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对γ射线进行研究。 【关键词】 伽马射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源能谱γ闪烁谱仪 【引言】 提出问题 某些物质的原子核能发生衰变，会放出射线，核辐射主要有α、β、γ三种射线。我们可以通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。同时由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。而这在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。核辐射主要是α、β、γ三种射线，人工辐射源包括放射性诊断和放射性治疗辐射源、放射性药物、放射性废物、核武器爆炸的落下灰尘以及核反应堆和加速器产生的照射等，辐射时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和质数A均保持不变的退激发过程。我们使用何种仪器来探测伽马射线，又如何测量物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等。这是都是本次实验需要去解决
的问题。 解决问题 本实验使用的是γ闪烁谱仪。γ闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作γ射线的探测器。利用此来研究窄束γ射线在物质中的吸收规律。 【正文】 通过查阅相关资料，我了解了伽马闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程。NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。整个谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管，射极跟随器），高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器等组成。 图一探测器结构 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。 （1）闪烁体:闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。本实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。 （2）光电倍增管:光电倍增管的结构如图2。它由光阴极K、收集电子的阳极A 和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。