康普頓散射 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、康普頓散射【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證康普頓散射的γ光子能量及微分散射截面與散射角的關(guān)系。2、學(xué)會康普頓散射效應(yīng)的測量技術(shù)，學(xué)習(xí)測量微分散射截面的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。【實(shí)驗(yàn)原理】圖3.9-1康普頓散射示意圖反沖電子散射光子入射光子1．康普頓散射康普頓效應(yīng)是射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)之一?？灯疹D效應(yīng)是入射光子與物質(zhì)原子中的核外電子產(chǎn)生非彈性碰撞而被散射的現(xiàn)象。碰撞時(shí)，入射光子把部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運(yùn)動方向發(fā)生變化。當(dāng)入射光子與電子發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)，如圖3.9-1所示，其中hν是入射γ光子的能量，hν′是散射γ光子的能量，θ是

2、散射角，e是反沖電子，Φ是反沖角。由于發(fā)生康普頓散射的γ光子的能量比電子的束縛能要大得多，所以入射的γ光子與原子中的電子作用時(shí)，可以把電子的束縛能忽略，看成是自由電子，并視散射發(fā)生以前電子是靜止的，動能為0，只有靜止能量m0c2。散射后，電子獲得速度v，此時(shí)電子的能量，動量為，其中，c為光速。用相對論的能量和動量守恒定律就可以得到式中，hν／c是入射γ光子的動量，hν′/c是散射γ光子的動量。由式（3.9－1）、（3.9－2）、（3.9－3）可得出散射γ光子的能量此式就表示散射γ光子能量與入射γ光子能量、散射角的關(guān)系。2．康普頓散射的微分截面康普頓散射的微分截

3、面的意義是：一個(gè)能量為hv的入射γ光子與原子中的一個(gè)核外電子作用后被散射到θ方向單位立體角里的幾率（記作，單位：cm2／單位立體角）為式中r0=2.818×10-13cm，是電子的經(jīng)典半徑，式(3.9－5)通常稱為“克來茵一仁科”公式，此式所描述的就是微分截面與入射γ光子能量及散射角的關(guān)系。6本實(shí)驗(yàn)采用NaI(Tl)閃爍譜儀測量各散射角的散射γ光子能譜，用光電峰峰位及光電峰面積得出散射γ光子能量hv，并計(jì)算出微分截面的相對值。3．散射γ光子的能量及微分散射截面的相對值的實(shí)驗(yàn)測定原理（1）散射γ光子的能量的測量①對譜儀進(jìn)行能量刻度，作出能量—道數(shù)的曲線。②由散射

4、γ光子能譜光電峰峰位的道數(shù)，在步驟①中所作的能量—道數(shù)刻度曲線上查出散射γ光子的能量hv′。注意：實(shí)驗(yàn)裝置中已考慮了克服地磁場的影響，光電倍增管已用圓筒形坡莫合金包住。即使這樣，不同θ角的散射光子的能量刻度曲線仍有少量的差別。（2）微分散射截面的相對值的測量根據(jù)微分散射截面的定義，當(dāng)有N0個(gè)光子入射時(shí)，與樣品中Ne個(gè)電子發(fā)生作用，在忽略多次散射自吸收的情況下，散射到θ方向Ω立體角里的光子數(shù)N(θ)應(yīng)為式中f是散射樣品的自吸收因子，我們假定f為常數(shù)，即不隨散射γ光子能量變化。由圖3.9-1可以看出，在θ方向上，NaI晶體對散射樣品（看成一個(gè)點(diǎn)）所張的立體角Ω＝S

5、／R2，S是晶體表面面積，R是晶體表面到樣品中心的距離，則N(θ)就是入射到晶體上的散射γ光子數(shù)。我們測量的是散射γ光子能譜的光電峰計(jì)數(shù)Np(θ)，假定晶體的光電峰本征效率為εf(θ)，則有已知晶體對點(diǎn)源的總探測效率與能量的關(guān)系(見表3.9－1)和晶體的峰總比R(θ)與能量的關(guān)系(見表3.9—2)。設(shè)晶體的總本征效率為ε(θ)，則有(3.9-12)這里需要說明：η(θ)、R(θ)、ε(θ)、εf(θ)都是能量的函數(shù)，但在具體情況下，入射γ光子具有單一能量，散射γ光子的能量就取決于θ。為簡便起見，我們都將它們寫成了θ的函數(shù)。6式（3.9-13）給出了微分截面與各

6、參量的關(guān)系，若各量均可測或已知，則微分截面可求。實(shí)際上有些量無法測準(zhǔn)（如N0、Ne等），但它們在各個(gè)散射角θ下都保持不變，所以只能求得微分截面的相對值。在此過程中，一些未知量都消掉了。例如，設(shè)散射角θ＝20o時(shí)的微分散射截面相對值為1，則由式(3.9-13)不難得到其它散射角θ的微分散射截面與20o時(shí)值之比為由式（3.9-14）可看出，實(shí)驗(yàn)測量的就是Np(θ)和Np(θ0)（θ＝20o時(shí)）。由表3.9-1和表3.9-2給出的數(shù)據(jù)，用內(nèi)插法求出R(θ)，η(θ)，R(θ0)，η(θ0)，就可以求出微分散射截面的相對值。注意：Np(θ)和Np(θ0)的測量條件必須

7、相同。主要裝置有：1．康普頓散射實(shí)驗(yàn)臺一套：含臺面主架、導(dǎo)軌、鉛屏蔽塊及散射用鋁棒（Ф=20mm）。2．放射源：一個(gè)約10mCi的137Cs放射源，密封安裝在鉛室屏蔽體內(nèi)；作刻度用的60Co放射源一個(gè)及小鉛盒。3．閃爍探測器：碘化鈉晶體為聲Ф40×40mm；光電倍增管型號為CRI05。4．配套電子學(xué)插件：盒式高、低壓電源；線形脈沖放大器，型號BH1224。5．微機(jī)多道系統(tǒng)一套：含4096ADC和PHA接口二合一卡，計(jì)算機(jī)PHA仿真軟件等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）復(fù)習(xí)康普頓散射的有關(guān)知識，掌握微分截面的概念及各公式的意義。（2）根據(jù)表3.9-1、3.9-2提供的數(shù)據(jù)作

8、曲線。（3）由式(3.9－4)計(jì)算不同