半吸收厚度

当吸收层后其强度减小到初始强度一半时的吸收层厚度称为半吸收厚度。射线强度减弱一半时对应的吸收物质厚度来表示物质对射线的吸收能力，此时吸收物质的厚度称为半吸收厚度。

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半吸收厚度基本简介

一、β衰变及β谱的连续性
放射性核素的原子核放射出β粒子而变为原子序数差1、质量数相同的核素称为β衰变。测量β粒子的荷质比可知β粒子是高速运动的电子，其速度与β粒子的能量或动量有关。高能β粒子的速度可接近光速：如pc为1MeV时V=0.89C，2MeV时V=0.97C。
β衰变可以看成核中有一个中子转变为质子的结果，在发射β粒子的同时还发射出一个反中微子。中微子是一个静止质量近似为0的中性粒子。衰变中释

放出的衰变能Q将被β粒子、反中微子和反冲核三者分配；由于三个粒子之间的发射角度是任意的，所以每个粒子所携带的能量并不固定，β粒子的动能可以在零至Q之间变化，形成一个连续谱。图(a)为本实验所用的源的衰变图。的半衰期为28.6年，它发射的β粒子最大能量为0.546MeV。衰变后成为，的半衰期为64.1小时，它发射的β粒子的最大能量为2.27MeV。因而源在0至2.27MeV的范围内形成一连续的β谱（如上图(b)所示），其强度随着动能的增加而减弱。

二、β射线的防护
于β是连续谱，因而一般近代物理实验中只测-粒子的吸收和散射。利用本实验装置当然可以轻易地完成这方面的研究。下面两张图显示了吸收体材料铝和有机玻璃对β谱（强度：1毫居里）的吸收（测量时间已归一）。对于同一种吸收体，β源越强所需屏蔽材料越厚；同一种β源，不同的吸收体对其阻挡的本领也是不同的。可以看到，吸收材料厚度为5mm时已经起到了很好的屏蔽作用。
三、粒子与物质的相互作用粒子与物质相互作用时能量损失的两种方式，即电离损失和辐射损失。

种类性质与物质作用的类型特点
射线 射线实际上是高速运动的电子流，其质量很轻，约为α粒子(He原子核)质量的倍，因此能量与α粒子相同的粒子，其速度要比α粒子大许多倍。这是射线的一个重要特征。此外，原子核衰变产生的粒子的能量都是连续的，这又不同于α以及γ射线。电子与靶原子的作用类型主要有电离、激发、散射、反散射和轫致辐射。能量的损失主要由电离、激发和辐射引起。 粒子经过吸收物质时能量和强度逐渐减小，当能量耗尽,便停留在吸收物质中,因而有射程的概念。当吸收层后其强度减小到初始强度一半时的吸收层厚度称为半吸收厚度。射程与半吸收厚度存在一定的比例关系。
射线 γ射线是一种波长很短的电磁波，从本质上看，它同无线电波、光波和χ射线一样，都是电磁辐射。γ射线还具有量子性，即在发射和吸收时，能量是一份一份的，故又称γ射线为γ量子或γ光子。γ光子没有静止质量。也就是说，静止的γ光子是不存在的。 γ射线与物质的相互作用时主要产生三种效应：光电效应、康普顿效应（散射效应）、电子对效应。 γ射线与物质的相互作用要比带电粒子弱得多，因而它具有较强的穿透本领。γ射线与物质相互作用在单次事件中便能导致完全的吸收或散射，因而没有射程的概念。
β射线（包括负电子和正电子）是轻带电粒子，电子与靶原子的作用类型主要有电离、激发、散射和轫致辐射，能量的损失主要由电离、激发和辐射引起。电子在物质中的径迹十分曲折。
1、离与激发
电子通过靶物质时，与核外电子的库仑场作用(非弹性碰撞)，把部分能量转移给核外电子，若这个能量足以使核外电子克服原子核束缚而脱离，原子就被分离成一个自由电子和一个正离子，这个过程叫做电离。若传递给电子的能量比较少，但可使电子从低能级跃迁到较高能级上使整个原子处于激发态，这个过程叫作激发。
2、射与反散射
粒子与原子核发生作用，由于原子核的吸引，使粒子的运动方向发生改变，这个过程叫散射.因电子的质量轻，散射角度可以很大，而且会受到多次散射，偏离原来的方向，最后散射角可以大于90o，此时称为反散射。
3、轫致辐射
任何作加速运动的带电粒子都会以电磁波的形式辐射能量，这种辐射叫轫致辐射。
四、能量损失的两种方式
1、电离或激发都会使粒子损失能量.电离损失是粒子在物质中损失能量的重要方式.。但由于入射电子质量与跟它发生作用的靶原子的轨道电子质量一样，所以一次碰撞可能损失很大能量（最大能量转移可为电子能量的一半，大多数情况下的平均能量转移为几个keV）。碰撞后入射电子运动方向会有较大的改变。
由非弹性碰撞所引起的电子能量损失的表达式，在低能时为
（4－1）
在高能时，考虑相对论效应，表达式还要更复杂一些。电子的与粒子的速度平方成反比，在能量相同的情况下，电子的速度比粒子的速度大的多，因而电子的电离损失率比粒子要小的多。因而它穿透物质的能力比粒子大得多。
2、当粒子受到原子核的静电作用，运动方向发生改变时，粒子处于加速状态，就会产生轫致辐射而损失能量。由轫致辐射引起的能量损失叫辐射损失。辐射损失是粒子在物质中损失能量的另一种方式。
轫致辐射是射线与物质相互作用的一个重要特点。据量子电动力学可以得出轫致辐射引起的辐射能量损失率有如下关系：
（4—2）
式中m是入射粒子的质量，E为入射粒子能量；z和Z分别为入射粒子和靶物质的原子序数；N为单位体积物质中的原子数。脚标rad表示辐射损失。从式中可以看出
 辐射损失率与z2成正比，与m2成反比。
 辐射损失率与Z2成正比。表明电子打在重元素中，容易发生轫致辐射。这一特性对选择合适的材料来阻挡粒子很重要。因为电离损失率与Z成正比，从电离损失考虑，采用高Z元素来阻挡粒子，然而这会产生很强的轫致辐射，反而起不到防护作用，所以应采用低Z元素防护粒子。
 辐射损失率与粒子能量E成正比。
五、粒子（单能电子）的半吸收厚度
1）半吸收厚度
快速带电粒子和物质作用时，由于把能量传给核外电子使物质的原子电离和激发，入射粒子的能量逐渐减少，速度越来越慢，最后就会停留在这种物质中，这种现象叫入射粒子被这种物质吸收了。入射粒子沿原来运动方向所能穿过的最大距离叫入射粒子在这种物质中的射程。一般以R表示（此时要注意射程与路程的区别）。
使粒子的强度减弱一半（即I/I0=1/2）的吸收层厚度，称为半衰减层厚度或半吸收厚度，也可以称作半价层1/2，记做d1/2。射程与半吸收厚度之间有一定的比例关系，它们都能反映物质对射线的吸收能力，所以测量半吸收厚度对于射线的屏蔽具有实际意义。
实验中，采取逐渐增加吸收物质厚度，直到吸收强度减弱到无吸收片时的一半，从而确定此能量电子的半吸收厚度。
2）实验方法
吸收强度的计数采用取峰
位右侧总计数的方法。
在能损部分已提到，由于
β粒子与物质相互作用时会发
生轫致辐射产生光子，而
NaI(Tl)探测器对光子很灵敏，
由轫致辐射产生光子同样被
探测器记录。这部分的能
量比较低，主要集中在能谱
的前端，导致能谱前端上翘，
如右图所示。
由于能量大于单能电子中心能量的那部分计数中受到轫致辐射及其它因素的影响很小，所以只取峰位右侧总计数,并从中减去本底作为β粒子的吸收强度。（如图中阴影部分所示）
六、单一能量电子的获得
众所周知，β射线的能谱是连续谱，如何获得单能电子呢？这里就应用到了本实验装置的β半圆聚焦磁谱仪来分离β射线获得单能电子。右图所示为探测器接收到的单能电子的谱形。谱形的前端翘起的部分主要是轫致辐射，中部凹下的一段是轫致辐射和低能电子，计数最高处为单能电子峰。
NaI(Tl)闪烁晶体探测器在不同的ΔX处接收到不同动量的单能电子，固定探测器于某一ΔX处
（即对应于某一能量的单能电子）
时，可以在多道显示器上观察到
出射电子的单能电子峰及在出射
电子与探测器之间插入不同厚度
铝箔时的能谱（如左图所示）。
由谱形可知，粒子经过吸收物
质后不仅强度也在减小，能量
降低。这点与射线是不同的。

七、物质的阻止本领和的测定
阻止本领是用来描述入射带电粒子在介质中每单位路径长度上损失的平均能量的物理量，是研究带电粒子与物质相互作用的主要内容之一。
在一般能量范围内，如E<10MeV，β射线在物质中，主要由电离、激发和韧致辐射损失能量，其中：
碰撞阻止本领对应电离损失，记作col；辐射阻止本领对应辐射损失，记作rad；总阻止本领为col与rad之和。为了消除密度的影响，常用质量阻止本领。它的计算比较复杂，但可以通过实验，测得一定能量的单能电子在物质中的能量损失，从而求得总质量阻止本领。
实验装置
实验器材包括：①半圆聚焦磁谱仪；②放射源90Sr—90Y(强度≈1毫居里)，③定标用γ放射源137Cs和60Co(强度≈2微居里)；④200mAl窗NaI(Tl)闪烁探头；⑤一定厚度的铝箔（50m，300m，400m，500m）。
实验内容
1．测量铝箔对单能电子的阻止本领。
2．测量能量范围在1~1.4MeV单能电子在铝吸收体中的半吸收厚度。
实验步骤
1．打开电源，调节高压与放大到适当位置，稳定半小时左右（多道脉冲分析器总道数选在512道）；
2．对探测器进行能量定标。首先测60Co的γ能谱，等1.33MeV全能峰的峰顶计数达到1000以上后（尽量减少统计涨落带来的误差），记录下1.17MeV和1.33MeV两个全能峰在多道能谱分析器上对应的道数CH2、CH3；测137Cs的γ能谱，等0.661MeV全能峰的峰顶计数达到1000以上后记录其在多道能谱分析器上对应的道数CH1。
3．作能量-道数定标曲线。利用多道分析器的能量刻度功能在多道上刻度能量。
4．把γ放射源137Cs和60Co从仪器上移开，打开机械泵抽真空。罩好有机玻璃罩，打开放射源。
5．把探测器置于合适位置，使单能电子峰位于1~1.4MeV的能量范围内。固定此位置，记录单能电子的能量。
6．定时600秒，依次测量不加铝箔，加50m，300m，350m，400m，450m，500m铝箔后单能电子的能谱图，记录右半峰总计数并将谱图保存。对于插入50m铝箔的能谱只需记录其峰位能量。
7．实验结束后，把放射源关上，高压降为零后关闭。

数据处理
本实验中单一能量β粒子的动能是通过γ射线对探测器的能量定标来确定的。因为探测器的NaI(Tl)闪烁晶体容易潮解，因此在其表面用了200m的铝来密封，此外还有20m的铝膜反射层。根据前面介绍的射线与物质相互作用的原理知道，这部分的铝对γ射线的能量并没有影响，只是使其强度稍为减弱；但却衰减了β射线能量，因此必须对多道测得的β射线能量给予修正（对真空室前的有机塑料薄膜可以不修正，为什么？）。
E1(MeV) E2(MeV) E1(MeV) E2(MeV) E1(MeV) E2(MeV)
0.317 0.200 0.887 0.800 1.489 1.400
0.360 0.250 0.937 0.850 1.536 1.450
0.404 0.300 0.988 0.900 1.583 1.500
0.451 0.350 1.039 0.950 1.638 1.550
0.497 0.400 1.090 1.000 1.685 1.600
0.545 0.450 1.137 1.050 1.740 1.650
0.595 0.500 1.184 1.100 1.787 1.700
0.640 0.550 1.239 1.150 1.834 1.750
0.690 0.600 1.286 1.200 1.889 1.800
0.740 0.650 1.333 1.250 1.936 1.850
0.790 0.700 1.388 1.300 1.991 1.900
0.840 0.750 1.435 1.350 2.038 1.950
1．单能电子的物质阻止本领的测定
利用在出射电子与探测器之间插入50m铝箔后能峰的变化来计算单能电子的质量阻止本领，即求铝箔对能量为的单能电子的物质阻止本领

T为铝箔厚度，为铝的密度。
要求：根据附录中给出的铝对不同能量电子阻止本领计算能量为的单能电子的质量阻止本领的理论值，实验值与理论值比较，求相对误差。

附数据记录表格(Tρ=0.005cm2.7g/cm3=0.0135g/cm2)
铝箔厚度(m) 单能电子能峰道址 E(MeV) E(MeV)修正值能量符号
0 E0
50 E1
2．半吸收厚度的测量
记录无铝箔时的右半峰总计数，并记录依次插入300m，350m，400m，450m，500m铝箔后的右半峰总计数，用插值法求吸收强度降到一半所对应的铝箔厚度，与经验值比较，计算相对误差。