物质对β射线的吸收..doc

物质对β射线的吸收 （本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》） 射线与物质的相互作用，使射线通过一定厚度的物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律及不同物质的吸收性能等，在了解核性质和核参数、防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要的意义。例如，为了有效地屏蔽核辐射，需根据物质对射线的吸收性能来选择合适的材料和必要的厚度。又如，根据物质对射线的吸收规律，在工业上有辐射探伤、射线测厚并控制生产流程、测量液面高度等应用。同时，由于物质对射线的吸收与射线的初始能量密切相关，因此可通过测量吸收曲线来确定射线的初始能量，从而提供鉴定同位素的重要依据。 本实验的目的是学习和掌握与物质对射线吸收的有关知识和实验方法，测量吸收曲线并求出β射线的射程和最大能量。同时进一步加深对计数管、定标器等仪器的了解。 实验原理 当一定能量的β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，β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，β射线在物质中与原子核的库仑场发生弹性散射，使β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。 β射线通过物质时主要以上述三种相互作用方式损失能量使强度减弱。发生三种相互作用的概率与β粒子的能量、吸收物质的原子序数等因素有关。 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μ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（ρ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β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β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β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β衰变时，放出的电子能谱的Emax值不同，常以Emax代表β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β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β衰变还可能伴随γ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β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β射线的射程R。在实际测量中吸收曲线的尾部由于γ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β射线的射程R。 β射线的射程与β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，