核物理实验基础知识 核能的开发应用,是二十世纪人类取得的最伟大的科学成就之一。核武器的出现和核能的应用大大 地改变了世界的面貌。原子核物理学的发展始终和核物理实验技术的发展紧密联系在一起。这种实验技 术的一个重要方面是对于微观粒子性质的探测和研究,它包括探测器的原理和使用,实验方法和数据处 理等内容。在核能工程,同位素应用,医疗卫生,环境保护等领域。也经常需要对核辐射粒子,放射性 元素进行测量分析,因此,核物理实验技术已日益普及。下面简单介绍有关的基本知识 射线和物质的互相作用 各种类型的快速微观粒子,例如,a、β、Y射线和中子等都称之为核辐射或射线,射线有三类: 带电粒子:a粒子、正负电子(β射线)、±π、±μ介子等 中性粒子:中子、中微子等。 电磁辐射:x、Y光子。 这里只讲述带电粒子、电磁辐射和物质的相互作用。中子和物质的相互作用要复杂的多,有弹性散 射、非弹性散射、吸收及核反应等,可参阅有关书籍 1.带电粒子 带电粒子对它所穿过的物质主要作用是使之电离和激发。放射性同位素辐射的a、β等射线不可能 深入到原子核的核力场范围之内,因此它们同物质中原子核和核外电子的作用主要是电磁作用,其效果 是使原子的电子受到激发或电离,而带电粒子本身能量逐渐损失。我们把由于电离和激发作用而在单位 路程上损失的能量叫做能量损失率,它与粒子电荷、速度及通过物质的原子序数等有关。α粒子的能量 损失率较大,它在物质中射程很小,对于239P的能量为5Mev的a粒子,它在空气中射程只有35cm, 在固体中的射程只有几十微米。B射线的射程较a粒子大得多,在空气中可达数米,对金属如铝为若干 毫米 2.y射线与物质的互相作用 Y射线光子与物质的互相作用有三种方式,即光电效应、康普顿散射和电子偶效应。通过这三种作 用,γ射线被物质吸收,ⅹ射线与γ射线相同,只是光子能量较低,来源不同,故以下所讨论的γ射线 的性质同样适用于x射线 Y射线和x射线同物质发生上述三种效应,将其能量转化为次级电子(光电子、康普顿电子、电子 偶)的能量,这些次级电子在物质中运动,其效果同带电粒子的作用一样,产生激发和电离作用,从而 导致物质的受激发光和电离,而射线本身则由于上述效应而被物质吸收,强度随吸收层的厚度逐渐减弱 令为穿过厚度为xcm的物质层后,窄束准直的Y射线束的强度,l0为原来的强度,则有关系式: I=I 这里称为y射线的吸收系数,由上式可知y射线通过物质时呈指数减弱。它不象带电粒子那样有固 定的射程,吸收系数μ是三种效应共同作用的结果,它与y射线所穿过物质的原子序数Z、密度p有关, 和γ射线能量有关,一般地说,Z越大,则越μ大,故最好用Pb作为γ射线屏蔽物。 探测器的原理和性能 微观粒子不是人们的感官所能感知的,必须借助于特殊的探测器。随着物理学的发展,探测器已经 发展为各种各样的复杂装置,最初的探测器不过是照相底片,如今可以根据不同的探测对象选用不同的 探测器,和现代电子仪器相结合,实现了对各种粒子的探测 一般说来,探测各种射线,主要的都是利用它们穿过物质的电离和激发作用,或者探测由电离产生 的信号,或者探测电子退激时发射的光信号,对于带电粒子,是直接产生的电离和激发,对于y射线和 中子,则是由次级粒子产生的电离和激发 GM探测器核物理实验基础知识 核能的开发应用，是二十世纪人类取得的最伟大的科学成就之一。核武器的出现和核能的应用大大 地改变了世界的面貌。原子核物理学的发展始终和核物理实验技术的发展紧密联系在一起。这种实验技 术的一个重要方面是对于微观粒子性质的探测和研究，它包括探测器的原理和使用, 实验方法和数据处 理等内容。在核能工程，同位素应用，医疗卫生，环境保护等领域。也经常需要对核辐射粒子，放射性 元素进行测量分析，因此，核物理实验技术已日益普及。下面简单介绍有关的基本知识。 一. 射线和物质的互相作用 各种类型的快速微观粒子，例如，α、β、γ射线和中子等都称之为核辐射或射线，射线有三类： 带电粒子：α粒子、正负电子（β射线）、±π、 ±µ介子等。 中性粒子：中子、中微子等。 电磁辐射：ⅹ、γ光子。 这里只讲述带电粒子、电磁辐射和物质的相互作用。中子和物质的相互作用要复杂的多，有弹性散 射、非弹性散射、吸收及核反应等，可参阅有关书籍。 1. 带电粒子 带电粒子对它所穿过的物质主要作用是使之电离和激发。放射性同位素辐射的α、β等射线不可能 深入到原子核的核力场范围之内，因此它们同物质中原子核和核外电子的作用主要是电磁作用，其效果 是使原子的电子受到激发或电离，而带电粒子本身能量逐渐损失。我们把由于电离和激发作用而在单位 路程上损失的能量叫做能量损失率，它与粒子电荷、速度及通过物质的原子序数等有关。α粒子的能量 损失率较大，它在物质中射程很小，对于 u 239P 的能量为 5.1Mev 的α粒子, 它在空气中射程只有 3.5cm， 在固体中的射程只有几十微米。β射线的射程较α粒子大得多，在空气中可达数米，对金属如铝为若干 毫米。 2. γ射线与物质的互相作用 γ射线光子与物质的互相作用有三种方式，即光电效应、康普顿散射和电子偶效应。通过这三种作 用，γ射线被物质吸收，ⅹ射线与γ射线相同，只是光子能量较低，来源不同，故以下所讨论的γ射线 的性质同样适用于ⅹ射线。 γ射线和ⅹ射线同物质发生上述三种效应，将其能量转化为次级电子（光电子、康普顿电子、电子 偶）的能量，这些次级电子在物质中运动，其效果同带电粒子的作用一样，产生激发和电离作用，从而 导致物质的受激发光和电离，而射线本身则由于上述效应而被物质吸收，强度随吸收层的厚度逐渐减弱。 令 I 为穿过厚度为 x cm 的物质层后，窄束准直的γ射线束的强度， 0 I 为原来的强度，则有关系式： X I I e − = 0 这里 µ 称为γ射线的吸收系数，由上式可知γ射线通过物质时呈指数减弱。它不象带电粒子那样有固 定的射程，吸收系数μ是三种效应共同作用的结果，它与γ射线所穿过物质的原子序数 Z、密度ρ有关， 和γ射线能量有关，一般地说，Z 越大，则越 µ大，故最好用 Pb 作为γ射线屏蔽物。 二. 探测器的原理和性能 微观粒子不是人们的感官所能感知的，必须借助于特殊的探测器。随着物理学的发展，探测器已经 发展为各种各样的复杂装置，最初的探测器不过是照相底片，如今可以根据不同的探测对象选用不同的 探测器，和现代电子仪器相结合，实现了对各种粒子的探测。 一般说来，探测各种射线，主要的都是利用它们穿过物质的电离和激发作用，或者探测由电离产生 的信号，或者探测电子退激时发射的光信号，对于带电粒子，是直接产生的电离和激发，对于γ射线和 中子，则是由次级粒子产生的电离和激发。 1. G—M 探测器