實驗目的：

是學習和掌握與物質對射線吸收的有關知識和實驗方法，測量吸收曲線并求出β射線的射程和大能量。同時進一步加深對計數管、定標器等儀器的了解。

實驗儀器：

G-M計數管、放射源、薄鋁箔、厚鋁箔。

實驗原理：

當能量的β射線（即高速電子束）通過物質時，與該物質原子或原子核相互作用，由于能量損失，強度會逐漸減弱，即在物質中被吸收。電子與物質相互作用的機制主要有三種：

一，電子與物質原子的核外電子發(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：

此式適用于非相對論情況，式中v為電子速度，N、Z、I分別為靶物質單位體積內的原子數、原子序數、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、物質的原子序數、原子的平均激發(fā)能等因素有關。

二，電子受物質原子核庫侖場的作用而被加速，根據電磁理論作加速運動的帶電粒子會發(fā)射電磁輻射，稱為軔致輻射，使電子的部分能量以X射線的形式放出，稱為輻射損失。這主要在能量較高的電子與物質相互作用時發(fā)生。輻射損失式中m、E分別為入射電子的質量、能量，Z、N分別為靶物質的原子序數和單位體積中的原子數。

除以上兩種能量損失外，β射線在物質中與原子核的庫侖場發(fā)生彈性散射，使β粒子改變運動方向，因電子質量小，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度減弱，這種機制成為多次散射。如果散射角超過90°，這種散射稱為反散射。

β射線通過物質時主要以上述三種相互作用方式損失能量使強度減弱。發(fā)生三種相互作用的概率與β粒子的能量、吸收物質的原子序數等因素有關。

考慮一束初始強度為I0的單能電子束，當穿過厚度為x的物質時，強度減弱為I，其示意圖

強度I隨厚度x的增加而減小且服從指數規(guī)律，可表示為式中μ是該物質的線性吸收系數。實驗指出，不同物質的線性吸收系數有很大的差別，但隨原子序數Z的增加，質量吸收系數（ρ是該物質的密度）卻只是緩慢地變化，因而常用質量厚度來代替線性厚度x，原子核β衰變放出高速電子的同時，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確地服從指數規(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，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。某些放射性核素會同時發(fā)射幾種大能量不同的β射線，這就會使實驗得到的吸收曲線更為復雜，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規(guī)律，具有大能量的β射線，在具有吸收系數的物質中所能穿過的大厚度，稱為該射線在該物質中的大射程。通常定義通過吸收物質后，射線強度降低到時，所對應的吸收物質厚度d即為β射線的射程R。

在實際測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，因此只能根據曲線變平之前的下降趨勢按直線外推至處，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，有經驗公式相聯(lián)系，如吸收物質是鋁，則當射程時， 式中E為β射線的大能量，單位為MeV。當用質量厚度表示射程R時，對于原子序數相近的物質，射程也近似相同。公式（5）不僅對鋁適用，對那些原子序數與鋁相近的物質也是適用的。圖4.3.2-4給出β射線的射程R與其能量E之間的關系曲線，通過該曲線也可由射程求出對應的能量，或由β射線的能量找出對應的射程。該圖的坐標軸均取對數坐標。

數據處理及結論：

1. 鋁箔的測量

2. 測量β射線密度與鋁箔厚度的關系

3. 繪制吸收曲線，并求出R和EMAX：

實驗小結及建議：

本實驗是一個比較好的實驗，引起誤差的主要因素有如下述：一則，計數器顯示的計數偶爾會出現(xiàn)跳數，可能是由于放射源本身的隨機誤差，也可能是由于外界影響造成計數管不穩(wěn)定產生的誤差；其次，鋁箔的放置和鋁箔本身的偏差都對實驗造成影響；另外，測量時間也各有不同，造成了計數的標準不嚴格統(tǒng)一；，曲線外推有主觀性，難免造成誤差！

從本次實驗的結果來看，實驗測得的吸收曲線與理論情況比較符合，中間段相關系數達到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，以及同時放出X射線等造成的影響。

總的來說，實驗結果基本讓人滿意，在現(xiàn)有實驗條件下，實驗比較準確。

思考題：

1. 在測量吸收曲線時，放射源、吸收物質、探測器等的相對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、探測器等的相對位置決定了在時間里實驗探測到的粒子數的強弱多少，若相對位置改變則可能造成探測器沒有對準放射源、或者鋁箔位置不正，造成探測到的粒子數不反映普遍規(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，相對位置和