能谱的测量-多道.doc

云南大学物理实验教学中心实验报告
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云南大学物理实验教学中心
实验报告

课程名称：近代物理实验
实验项目：能谱的测量－多道
学生姓名：朱江醒学号：20051050148
物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业

成绩

指导教师：葛茂茂
实验时间：2007年12月9日8时30分至12时30分
实验地点：四合院
实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□)学生科研□
课外开放□测试□其它□
一、实验目的
了解射线与物质相互作用的基本特性；
掌握NaI(Tl)谱仪的工作原理及其使用方法；
学会分析137Cs单道能谱；
测定谱仪的能量分辨率及线性。

二．实验原理
1、射线与物质相互作用。当射线的能量在30MeV以下时，最主要的相互作用方式有三种：
（1）光电效应。射线的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原于中发射出来，光子本身消失。
（2）康普顿散射。入射光子与原子的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。
（3）电子对效应。光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。
在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能Bγ之差。虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与射线能量、光电子的能量相比可以忽略。因此，
E光电子(1)
即光电子动能近似等于射线能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）则不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子外，还需要有一个第三者参加，这第三者就是发射光子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核），越容易使原子核参加上述过程。所以在K壳层上发生光电效应的概率最大。
图1是能量为hν，的入射光子发生康普顿散射的示意图，h为散射光子的能量；θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角；为反冲电子的反冲角。
康普顿散射与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿散射中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。我们可以分析一下散射光子和反冲电子的能量与反射角的关系。入射光子能量为,动量为碰撞后，散射光子的能量为，动量为，反冲电子的动能为Ee，总能量为E，动量为P，见图1，它们之间有下列关系式：
(2)
(3)
相对论能量和动量关系为
(4)
式中，v为反冲电子速度，mo是电子静止质量，m是电子以速度v运动时具有的质量。
根据能量和动量守恒定律，有下列关系式：
(5)
(6)
(7)
由此可以得到

或者

因此，散射光子的能量
(8)
康普顿反冲电子的动能

即
(9)

(10)
从（8）、（9）和（10）式可以看出：
（1）当散射角时，散射光子能量，达到最大值。这时反冲电子的能量Ee＝0。这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光于能量没有损失。
（2）当时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。这时散射光子能量最小，即

由此式可以推断出，即使入射光子的能量很大，反散射光子的能量也都在200keV左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。
发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图2所示。
电子对效应是光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量>，即>1.02MeV时，才能发生电子对效应。与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光电子和电子对以外，必须有一个第三者——原子核参加。
2、NaI（Tl）能谱仪介绍。图3是NaI（Tl）闪烁能谱仪的方框图。当放射源发出的射线进入闪烁体时，光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用（如光电效应，康普顿散射和电子对效应等）。相互作用的结果产生次级电子，光子的能量转化为次级电子的动能。探头的闪烁体是荧光物质，它被次级电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极。由于光电效应，在光阴极上打出光电子，每个光电子在光电倍增管中的打拿极（倍增极）上打出多个电子，这些电子又打在其他级