实验目的
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了解β射线在物质中的吸收规律;
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利用吸收系数法确定β射线的最大能量。
实验原理
测定射线的能量是鉴别放射性核素的一种常用方法。本实验介绍吸收法,既通过测定β粒子在吸收物质中的吸收系数来换算出能量的方法。
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原子核在发生β衰变时,放出的β粒子其强度随能量变化为一条从零开始到最大能量 的连续分布曲线。一束β射线通过吸收物质时,其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。
对大多数β谱,吸收曲线的开始部分在半对数坐标纸上是一条直线,这表明它近似服从指数衰减规律:

d和dm是吸收物质的厚度和质量厚度(单位分别为cm和g/cm2);μ和μm是线性吸收系数和质量吸收系数,单位分别为cm-1和cm2/g。
实验证明,不同的吸收物质,随物质的原子序数Z的增加而缓慢增加。对一定的吸收物质,还与E有关。对铝有下面的经验公式,

其中Eβmax为最大能量值,单位为MeV。
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本实验放射源的β射线有两个Eβmax值,所以对应也应有两个μm值。

当吸收物质厚度不足以完全吸收能量较小的β射线,既GM计数器同时接收到两种能量的β射线时有:

其中,N为总计数,N10,N20分别对应μ1和μ2,且满足:

N0为厚度为零时的总计数;
当物质厚度厚到足以使能量较小的β射线完全被吸收时,有:(设E1<E2)

其中,dl为低能粒子刚好完全被吸收时的厚度。 处理数据时,先取后面的记数点,算出μ2和N20;再用式(4)换算出前面的记数点对应的高能E2的计数N2,从而算出对应的N1;最后算出μ1。
实验内容
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用GM计数器,记下通过不同厚度铝片的β粒子数;
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用相关软件处理数据,绘出曲线,得出相关方程的参数;
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按实验原理(二)计算出两个μm ,换算出对应的两个最大能量。
实验数据与处理
将实验数据做一个简单处理,对记数N求对数。因为在软件中是用对数曲线拟和的。求出对数后,在软件中直接得出描点图如下:

观察上图,初步认为应在0.25mm到0.5mm之间,由于老师的建议值是0.8mm,所以先取了0.8mm为分界点,得出图象和μ2值如下:

μ2=1.51584mm-1,从而μm2=15.1584/2.7cm2/g=5.6142cm2/g故可算出E2=2.64 MeV。
此值与理论值有所差异,再取0.4mm,则得出图与数据如下:

μ2=1.5376mm-1,由此算出的E2=2.61MeV,也不理想
再取0.2mm,则如下:

μ2=1.59092mm-1,从而μm2=5.89cm2/g,E2=2.53MeV。这个结果仍然不是很理想。
考虑到GM计数器的记数率较低,尤其当厚度增加时,记数更少,误差更大。故试将1.2mm后的点去掉,可以得出如下结果:

这个结果比较理想,但方法有待考虑是否真的合理。
由以上结果,所以可通过公式(4)和(5)将前八个点的高能β粒子的记数减去,即得实际低能粒子的记数。从而得出曲线和数据如下:

μ1=11.39034mm-1,μm1=41.996cm2/g,E1=0.4523MeV
此数据不是很理想,从图象上看,0.15mm附近点不太好,去掉后两个点得出如下结果:

μ1=10.06716mm-1,μm1=37.2858cm2/g,E1=0.5021MeV。这个结果很理想,最终可以接受这个结果。
实验结果分析
由最终的结果可以得出dl的值:0.88mm。就是说,老师的建议值是正确的。那么,所得出的结果是否是一种巧合呢?
其实,从0.2mm取到1.2mm并不是一种巧合。
首先,从0.2mm到0.8mm虽然仍然有低能的存在,但它的数量已经非常少。通过计算可以发现,在0.2mm处,低能几乎只有高能的十分之一,所以它的影响对实验结果没有造成大的误差。
其次,对本实验的GM计数器而言,统计误差是相当大的。从原始数据中可以看到,1mm以后的记数低于1000(每60秒),在2.010mm处甚至只有两百,统计误差已经非常的大。再考虑到本底辐射的影响(每60秒约20),可以说,后面的记数点不可信。这就是从0.8mm向后取点得不出好结果的原因,也是后来要把后四个点去掉的原因。
正是由于以上两点原因,所以可以说,从0.2mm取到1.2mm并不是一种巧合,而是有依据的。
实验中误差的来源
实验中测得的数据有二:N和d。
对于N,误差主要来源于GM计数器的统计误差。
对于三种厚度的薄片,误差来源于它们的真实厚度很难精确测定。0.01mm薄片受表面清洁度影响较大,如油脂的影响;而1.0mm的薄片则有厚度不均的现象,中心与边缘的厚度往往有差异。 这些本来很小的不确定度因为是e的指数而变得可以影响到实验结果。
数据采集方法的改进
在第一次的实验中,0.01mm的薄片没有实际测量,而是认为是0.01mm,这就使实验得不出理想结果,最后对每个薄片做了修正才得出可接受的结果。其次,第一次的实验中,在0.1mm以后的点取的比较稀,没有继续用0.01mm薄
片,而是用0.1mm薄片依次加上去,这对实验也有一定影响;再次,第一次的测量时间为60秒,但是只读取了两次。在第二次实验中,每加一次薄片都实际测量了其厚度,从0.1mm以后的点也是用四或六片0.01mm薄片依次加上去的,
故取点比较稠,最后,第二次实验每个点测量了三次,增加了记数量,进一步减小了误差。
感受
要认真细心;要有耐心。