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研究X光的衰减系数与及Z的关系
研究X光的衰减系数与及Z的关系
专业:材料物理 学号:0530054 姓名: 洪荣华
摘要: 物质材料对X光的吸收和散射会造成透射X光的衰减,其衰减系数和及Z存在着一定的关系。本实验通过具体测量来分析验证该关系,并用理论解释实验结果和出现误差的原因。根据此关系,设计相关的应用。
关键词:X射线,衰减系数,波长,原子序数
引言:X光经过吸收物质后衰减,遵循兰姆波特定律。造成X光的衰减是物质材料对X光的吸收和散射。X光与材料发生作用会发生光电效应、康普顿效应和电子偶效应。入射X光的能量和材料原子序数决定了这三种效应影响作用的大小。以此为分析基础可以研究X光的衰减系数与及Z的关系,并解释实验中出现的问题。根据衰减系数与及Z的关系,可以设计相关的应用。
物理原理:(1)X光经过吸收物质后衰减,遵循兰姆波特定律,其中是X射线的入射强度,是X光的透射强度,是衰减系数。由于造成X光的衰减是物质材料对X光的吸收和散射,所以。其相应的质量系数为:,,。对于单质材料,可用原子截面表示为:,,,并满足。
(2)当X光波长大于临界波长,吸收系数会突然下降.我们把吸收系数发生突变处所对应的波长称为材料的吸收边。莫塞莱在测量了各种元素的K壳层吸收边后,提出了莫塞莱定律。对K壳层吸收边,有。其中R为里德堡常数,Z为原子序数,为K壳层的屏蔽系数。且屏蔽系数在原子序数为30到60的范围内可视为常数(对于中等中核,=3.6)
实验部分:
(一)X光与物质材料的作用机制
(1)入射X光和物质材料可能会发生光电效应(光子与束缚电子相互作用),康普顿效应(光子与自由电子的散射),电子偶效应(当光子的能量大于电子的静止质量的2倍时,光子在原子核场附近能转化为一对正、负电子)。。具有不同能量的X光与同一种物质材料发生作用,这三种效应所引起的影响是不同的。具体关系如下:
由上图可以知道,入射X光的能量和材料对应的原子序数的大小决定了X光和物质材料的具体作用机制,即影响X光在材料中的衰减系数的大小。
(2)=35100pm范围内散射截面要远小于吸收截面的理论解释:
在本实验中研究的波长范围为35pm100pm。根据,可以得到入射X光的能量范围为0.0124MeV到0.03MeV。能量在这范围内的X光是属于低能X光,且铜和锆的原子系数分别为29和40。由上图可以知道,本实验中X光与物质材料发生的作用以光电效应为主,康普顿效应很弱,而电子偶效应基本没有。因为光电效应和康普顿效应分别对应物质材料对X光的吸收和散射,于是在波长范围为35pm100pm内,散射截面要远小于吸收截面。
(二)X光在材料中的吸收截面与的关系
(1)实验参数值:U=30kv,I=1mA,在COUPLED模式下设扫描角度为到,。
本实验得到的数据如下:
透射率
波长 62.9pm 14.6% 11.0% 70.7pm 7.7% 61.7% 通过公式可以得到波长与吸收截面的关系,经拟合可以得到如下曲线:
(2)实验现象解释:
X射线的能量达到一定程度时,会使物质原子电离,使电子从原子内层释放。要产生电离,X光的能量必须大于该壳层电子的束缚能。随着X光能量的增大,入射光子从原子中排斥一个轨道电子的几率减小。当X光能量接近于电子的结合能时,该电子完全吸收入射光子,排斥电子的几率几乎为1,所以此时的吸收截面达到最大值。而当入射能量稍微低于束缚能时,入射光子的能量不足以使原子内层电子发生电离,此时吸收截面会突然降低。用相应的波长来描述有:当X光波长小于且越接近临界波长时,激发电离原子内层电子的几率越大,这时越容易激发电离,因此吸收系数越大。
对于特定元素,波长在小于吸收限时吸收截面随增大。本实验可以推导出与成正比关系且近似为3。
(3)应用:利用元素的吸收限制作滤波片
吸收系数一般随着增大而增大,但存在着吸收边。对于元素的K吸收限,由于产生射线的能量,即K吸收限对应的能量,应大于该元素射线的能量。于是射线的能量位置应紧靠K吸收限的左边,相应的比较小。
具体方法:对于某阳极材料,有对应的和。如果要吸收线,而让线大量通过,可以选择K吸收限在和之间的元素作为滤波片。
(三)材料对X光的衰减系数与原子系数Z的关系
(1)使用莱宝X光实验仪测量经过吸收板附件套(编号554834)的附件2的透射光强度来研究本实验。为避免出现信号饱和,减小GM计数管在高计数率时的非线形影响对实验结果的影响,应合理调整实验参值。经过手动调整测量,现取如下实验条件进行测量:X光管高压U=35kv,X光管电流I=0.5mA,测量时间=60s.对不同的材料测得不同的计数率,并将其转化为透射率和相应的吸收截面。各元素参数和对应的测量值如下表所示:
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