實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>

是學(xué)習(xí)和掌握與物質(zhì)對(duì)射線吸收的有關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量吸收曲線并求出β射線的射程和大能量。同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)計(jì)數(shù)管、定標(biāo)器等儀器的了解。

實(shí)驗(yàn)儀器：

G-M計(jì)數(shù)管、放射源、薄鋁箔、厚鋁箔。

實(shí)驗(yàn)原理：

當(dāng)能量的β射線（即高速電子束）通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與該物質(zhì)原子或原子核相互作用，由于能量損失，強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，即在物質(zhì)中被吸收。電子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制主要有三種：

一，電子與物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)或電離，電子以此種方式損失能量稱(chēng)為電離損失。電離損失的能量損失可由下式給出：

此式適用于非相對(duì)論情況，式中v為電子速度，N、Z、I分別為靶物質(zhì)單位體積內(nèi)的原子數(shù)、原子序數(shù)、平均激發(fā)能。由此看出，電離損失的能量與入射電子的速度、物質(zhì)的原子序數(shù)、原子的平均激發(fā)能等因素有關(guān)。

二，電子受物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)的作用而被加速，根據(jù)電磁理論作加速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)發(fā)射電磁輻射，稱(chēng)為軔致輻射，使電子的部分能量以X射線的形式放出，稱(chēng)為輻射損失。這主要在能量較高的電子與物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生。輻射損失式中m、E分別為入射電子的質(zhì)量、能量，Z、N分別為靶物質(zhì)的原子序數(shù)和單位體積中的原子數(shù)。

除以上兩種能量損失外，β射線在物質(zhì)中與原子核的庫(kù)侖場(chǎng)發(fā)生彈性散射，使β粒子改變運(yùn)動(dòng)方向，因電子質(zhì)量小，可能發(fā)生比較大角度的散射，還可能發(fā)生多次散射，因而偏離原射束方向，使入射方向上的射線強(qiáng)度減弱，這種機(jī)制成為多次散射。如果散射角超過(guò)90°，這種散射稱(chēng)為反散射。

β射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)主要以上述三種相互作用方式損失能量使強(qiáng)度減弱。發(fā)生三種相互作用的概率與β粒子的能量、吸收物質(zhì)的原子序數(shù)等因素有關(guān)。

考慮一束初始強(qiáng)度為I0的單能電子束，當(dāng)穿過(guò)厚度為x的物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度減弱為I，其示意圖

強(qiáng)度I隨厚度x的增加而減小且服從指數(shù)規(guī)律，可表示為式中μ是該物質(zhì)的線性吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)指出，不同物質(zhì)的線性吸收系數(shù)有很大的差別，但隨原子序數(shù)Z的增加，質(zhì)量吸收系數(shù)（ρ是該物質(zhì)的密度）卻只是緩慢地變化，因而常用質(zhì)量厚度來(lái)代替線性厚度x，原子核β衰變放出高速電子的同時(shí)，還放出中微子，因此放出的電子并不是單一能量的，而是具有各種能量分布的連續(xù)能譜，因此β射線的吸收曲線并不準(zhǔn)確地服從指數(shù)規(guī)律。

從圖中可以看出，有一大能量Emax，不同的核發(fā)生β衰變時(shí)，放出的電子能譜的Emax值不同，常以Emax代表β射線的特征能量。某些放射性核素會(huì)同時(shí)發(fā)射幾種大能量不同的β射線，這就會(huì)使實(shí)驗(yàn)得到的吸收曲線更為復(fù)雜，放射性核素β衰變還可能伴隨γ射線，加之軔致輻射的影響，伴有X射線，使吸收曲線的尾部偏離指數(shù)規(guī)律，具有大能量的β射線，在具有吸收系數(shù)的物質(zhì)中所能穿過(guò)的大厚度，稱(chēng)為該射線在該物質(zhì)中的大射程。通常定義通過(guò)吸收物質(zhì)后，射線強(qiáng)度降低到時(shí)，所對(duì)應(yīng)的吸收物質(zhì)厚度d即為β射線的射程R。

在實(shí)際測(cè)量中吸收曲線的尾部由于γ射線和軔致輻射的存在而變平，因此只能根據(jù)曲線變平之前的下降趨勢(shì)按直線外推至處，從而得到β射線的射程R。Β射線的射程與β射線的大能量之間，有經(jīng)驗(yàn)公式相聯(lián)系，如吸收物質(zhì)是鋁，則當(dāng)射程時(shí)， 式中E為β射線的大能量，單位為MeV。當(dāng)用質(zhì)量厚度表示射程R時(shí)，對(duì)于原子序數(shù)相近的物質(zhì)，射程也近似相同。公式（5）不僅對(duì)鋁適用，對(duì)那些原子序數(shù)與鋁相近的物質(zhì)也是適用的。圖4.3.2-4給出β射線的射程R與其能量E之間的關(guān)系曲線，通過(guò)該曲線也可由射程求出對(duì)應(yīng)的能量，或由β射線的能量找出對(duì)應(yīng)的射程。該圖的坐標(biāo)軸均取對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理及結(jié)論：

1. 鋁箔的測(cè)量

2. 測(cè)量β射線密度與鋁箔厚度的關(guān)系

3. 繪制吸收曲線，并求出R和EMAX：

實(shí)驗(yàn)小結(jié)及建議：

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)比較好的實(shí)驗(yàn)，引起誤差的主要因素有如下述：一則，計(jì)數(shù)器顯示的計(jì)數(shù)偶爾會(huì)出現(xiàn)跳數(shù)，可能是由于放射源本身的隨機(jī)誤差，也可能是由于外界影響造成計(jì)數(shù)管不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差；其次，鋁箔的放置和鋁箔本身的偏差都對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響；另外，測(cè)量時(shí)間也各有不同，造成了計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)格統(tǒng)一；，曲線外推有主觀性，難免造成誤差！

從本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收曲線與理論情況比較符合，中間段相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99346，線性較好，與理論基本符合；首尾部分的偏離的原因可能是由于電離損失，軔致輻射，多次輻射，以及同時(shí)放出X射線等造成的影響。

總的來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本讓人滿意，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)比較準(zhǔn)確。

思考題：

1. 在測(cè)量吸收曲線時(shí)，放射源、吸收物質(zhì)、探測(cè)器等的相對(duì)位置以及工作條件等是否可以改變？為什么？

答：

不可以改變，一方面，源、吸收物質(zhì)、探測(cè)器等的相對(duì)位置決定了在時(shí)間里實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的粒子數(shù)的強(qiáng)弱多少，若相對(duì)位置改變則可能造成探測(cè)器沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)放射源、或者鋁箔位置不正，造成探測(cè)到的粒子數(shù)不反映普遍規(guī)律。另一方面，β射線的能量衰減包括了電離損失，軔致輻射，多次輻射等，相對(duì)位置和