基本簡介
一、β衰變及β譜的連續性
放射性核素的原子核放射出β粒子而變為原子序數差1、質量數相同的核素稱為β衰變。測量β粒子的荷質比可知β粒子是高速運動的電子，其速度與β粒子的能量或動量有關。高能β粒子的速度可接近光速：如pc為1MeV時V=0.89C，2MeV時V=0.97C。
β衰變可以看成核中有一個中子轉變為質子的結果，在發射β粒子的同時還發射出一個反中微子。中微子是一個靜止質量近似為0的中性粒子。衰變中釋
放出的衰變能Q將被β粒子、反中微子和反衝核三者分配；由於三個粒子之間的發射角度是任意的，所以每個粒子所攜帶的能量並不固定，β粒子的動能可以在零至Q之間變化，形成一個連續譜。圖(a)為本實驗所用的源的衰變圖。的半衰期為28.6年，它發射的β粒子最大能量為0.546MeV。衰變後成為，的半衰期為64.1小時，它發射的β粒子的最大能量為2.27MeV。因而源在0至2.27MeV的範圍內形成一連續的β譜（如上圖(b)所示），其強度隨著動能的增加而減弱。
二、β射線的防護
於β是連續譜，因而一般近代物理實驗中只測-粒子的吸收和散射。利用本實驗裝置當然可以輕易地完成這方面的研究。下面兩張圖顯示了吸收體材料鋁和有機玻璃對β譜（強度：1毫居里）的吸收（測量時間已歸一）。對於同一種吸收體，β源越強所需禁止材料越厚；同一種β源，不同的吸收體對其阻擋的本領也是不同的。可以看到，吸收材料厚度為5mm時已經起到了很好的禁止作用。
三、粒子與物質的相互作用粒子與物質相互作用時能量損失的兩種方式，即電離損失和輻射損失。
種類性質與物質作用的類型特點
射線射線實際上是高速運動的電子流，其質量很輕，約為α粒子(He原子核)質量的倍，因此能量與α粒子相同的粒子，其速度要比α粒子大許多倍。這是射線的一個重要特徵。此外，原子核衰變產生的粒子的能量都是連續的，這又不同於α以及γ射線。電子與靶原子的作用類型主要有電離、激發、散射、反散射和軔致輻射。能量的損失主要由電離、激發和輻射引起。粒子經過吸收物質時能量和強度逐漸減小，當能量耗盡,便停留在吸收物質中,因而有射程的概念。當吸收層後其強度減小到初始強度一半時的吸收層厚度稱為半吸收厚度。射程與半吸收厚度存在一定的比例關係。
射線γ射線是一種波長很短的電磁波，從本質上看，它同無線電波、光波和χ射線一樣，都是電磁輻射。γ射線還具有量子性，即在發射和吸收時，能量是一份一份的，故又稱γ射線為γ量子或γ光子。γ光子沒有靜止質量。也就是說，靜止的γ光子是不存在的。γ射線與物質的相互作用時主要產生三種效應：光電效應、康普頓效應（散射效應）、電子對效應。γ射線與物質的相互作用要比帶電粒子弱得多，因而它具有較強的穿透本領。γ射線與物質相互作用在單次事件中便能導致完全的吸收或散射，因而沒有射程的概念。
β射線（包括負電子和正電子）是輕帶電粒子，電子與靶原子的作用類型主要有電離、激發、散射和軔致輻射，能量的損失主要由電離、激發和輻射引起。電子在物質中的徑跡十分曲折。
1、離與激發
電子通過靶物質時，與核外電子的庫侖場作用(非彈性碰撞)，把部分能量轉移給核外電子，若這個能量足以使核外電子克服原子核束縛而脫離，原子就被分離成一個自由電子和一個正離子，這個過程叫做電離。若傳遞給電子的能量比較少，但可使電子從低能級躍遷到較高能級上使整個原子處於激發態，這個過程叫作激發。
2、射與反散射
粒子與原子核發生作用，由於原子核的吸引，使粒子的運動方向發生改變，這個過程叫散射.因電子的質量輕，散射角度可以很大，而且會受到多次散射，偏離原來的方向，最後散射角可以大於90o，此時稱為反散射。
3、軔致輻射
任何作加速運動的帶電粒子都會以電磁波的形式輻射能量，這種輻射叫軔致輻射。
四、能量損失的兩種方式
1、電離或激發都會使粒子損失能量.電離損失是粒子在物質中損失能量的重要方式.。但由於入射電子質量與跟它發生作用的靶原子的軌道電子質量一樣，所以一次碰撞可能損失很大能量（最大能量轉移可為電子能量的一半，大多數情況下的平均能量轉移為幾個keV）。碰撞後入射電子運動方向會有較大的改變。
由非彈性碰撞所引起的電子能量損失的表達式，在低能時為
（4－1）
在高能時，考慮相對論效應，表達式還要更複雜一些。電子的與粒子的速度平方成反比，在能量相同的情況下，電子的速度比粒子的速度大的多，因而電子的電離損失率比粒子要小的多。因而它穿透物質的能力比粒子大得多。
2、當粒子受到原子核的靜電作用，運動方向發生改變時，粒子處於加速狀態，就會產生軔致輻射而損失能量。由軔致輻射引起的能量損失叫輻射損失。輻射損失是粒子在物質中損失能量的另一種方式。
軔致輻射是射線與物質相互作用的一個重要特點。據量子電動力學可以得出軔致輻射引起的輻射能量損失率有如下關係：
（4—2）
式中m是入射粒子的質量，E為入射粒子能量；z和Z分別為入射粒子和靶物質的原子序數；N為單位體積物質中的原子數。腳標rad表示輻射損失。從式中可以看出
輻射損失率與z2成正比，與m2成反比。
輻射損失率與Z2成正比。表明電子打在重元素中，容易發生軔致輻射。這一特性對選擇合適的材料來阻擋粒子很重要。因為電離損失率與Z成正比，從電離損失考慮，採用高Z元素來阻擋粒子，然而這會產生很強的軔致輻射，反而起不到防護作用，所以應採用低Z元素防護粒子。
輻射損失率與粒子能量E成正比。
五、粒子（單能電子）的半吸收厚度
1）半吸收厚度
快速帶電粒子和物質作用時，由於把能量傳給核外電子使物質的原子電離和激發，入射粒子的能量逐漸減少，速度越來越慢，最後就會停留在這種物質中，這種現象叫入射粒子被這種物質吸收了。入射粒子沿原來運動方向所能穿過的最大距離叫入射粒子在這種物質中的射程。一般以R表示（此時要注意射程與路程的區別）。
使粒子的強度減弱一半（即I/I0=1/2）的吸收層厚度，稱為半衰減層厚度或半吸收厚度，也可以稱作半價層1/2，記做d1/2。射程與半吸收厚度之間有一定的比例關係，它們都能反映物質對射線的吸收能力，所以測量半吸收厚度對於射線的禁止具有實際意義。
實驗中，採取逐漸增加吸收物質厚度，直到吸收強度減弱到無吸收片時的一半，從而確定此能量電子的半吸收厚度。
2）實驗方法
吸收強度的計數採用取峰
位右側總計數的方法。
在能損部分已提到，由於
β粒子與物質相互作用時會發
生軔致輻射產生光子，而
NaI(Tl)探測器對光子很靈敏，
由軔致輻射產生光子同樣被
探測器記錄。這部分的能
量比較低，主要集中在能譜
的前端，導致能譜前端上翹，
如右圖所示。
由於能量大於單能電子中心能量的那部分計數中受到軔致輻射及其它因素的影響很小，所以只取峰位右側總計數,並從中減去本底作為β粒子的吸收強度。（如圖中陰影部分所示）
六、單一能量電子的獲得
眾所周知，β射線的能譜是連續譜，如何獲得單能電子呢？這裡就套用到了本實驗裝置的β半圓聚焦磁譜儀來分離β射線獲得單能電子。右圖所示為探測器接收到的單能電子的譜形。譜形的前端翹起的部分主要是軔致輻射，中部凹下的一段是軔致輻射和低能電子，計數最高處為單能電子峰。
NaI(Tl)閃爍晶體探測器在不同的ΔX處接收到不同動量的單能電子，固定探測器於某一ΔX處
（即對應於某一能量的單能電子）
時，可以在多道顯示器上觀察到
出射電子的單能電子峰及在出射
電子與探測器之間插入不同厚度
鋁箔時的能譜（如左圖所示）。
由譜形可知，粒子經過吸收物
質後不僅強度也在減小，能量
降低。這點與射線是不同的。
七、物質的阻止本領和的測定
阻止本領是用來描述入射帶電粒子在介質中每單位路徑長度上損失的平均能量的物理量，是研究帶電粒子與物質相互作用的主要內容之一。
在一般能量範圍內，如E<10MeV，β射線在物質中，主要由電離、激發和韌致輻射損失能量，其中：
碰撞阻止本領對應電離損失，記作col；輻射阻止本領對應輻射損失，記作rad；總阻止本領為col與rad之和。為了消除密度的影響，常用質量阻止本領。它的計算比較複雜，但可以通過實驗，測得一定能量的單能電子在物質中的能量損失，從而求得總質量阻止本領。
實驗裝置
實驗器材包括：①半圓聚焦磁譜儀；②放射源90Sr—90Y(強度≈1毫居里)，③定標用γ放射源137Cs和60Co(強度≈2微居里)；④200mAl窗NaI(Tl)閃爍探頭；⑤一定厚度的鋁箔（50m，300m，400m，500m）。
實驗內容
1．測量鋁箔對單能電子的阻止本領。
2．測量能量範圍在1~1.4MeV單能電子在鋁吸收體中的半吸收厚度。
實驗步驟
1．打開電源，調節高壓與放大到適當位置，穩定半小時左右（多道脈衝分析器總道數選在512道）；
2．對探測器進行能量定標。首先測60Co的γ能譜，等1.33MeV全能峰的峰頂計數達到1000以上後（儘量減少統計漲落帶來的誤差），記錄下1.17MeV和1.33MeV兩個全能峰在多道能譜分析器上對應的道數CH2、CH3；測137Cs的γ能譜，等0.661MeV全能峰的峰頂計數達到1000以上後記錄其在多道能譜分析器上對應的道數CH1。
3．作能量-道數定標曲線。利用多道分析器的能量刻度功能在多道上刻度能量。
4．把γ放射源137Cs和60Co從儀器上移開，打開機械泵抽真空。罩好有機玻璃罩，打開放射源。
5．把探測器置於合適位置，使單能電子峰位於1~1.4MeV的能量範圍內。固定此位置，記錄單能電子的能量。
6．定時600秒，依次測量不加鋁箔，加50m，300m，350m，400m，450m，500m鋁箔後單能電子的能譜圖，記錄右半峰總計數並將譜圖保存。對於插入50m鋁箔的能譜只需記錄其峰位能量。
7．實驗結束後，把放射源關上，高壓降為零後關閉。
數據處理
本實驗中單一能量β粒子的動能是通過γ射線對探測器的能量定標來確定的。因為探測器的NaI(Tl)閃爍晶體容易潮解，因此在其表面用了200m的鋁來密封，此外還有20m的鋁膜反射層。根據前面介紹的射線與物質相互作用的原理知道，這部分的鋁對γ射線的能量並沒有影響，只是使其強度稍為減弱；但卻衰減了β射線能量，因此必須對多道測得的β射線能量給予修正（對真空室前的有機塑膠薄膜可以不修正，為什麼？）。
E1(MeV)E2(MeV)E1(MeV)E2(MeV)E1(MeV)E2(MeV)
0.3170.2000.8870.8001.4891.400
0.3600.2500.9370.8501.5361.450
0.4040.3000.9880.9001.5831.500
0.4510.3501.0390.9501.6381.550
0.4970.4001.0901.0001.6851.600
0.5450.4501.1371.0501.7401.650
0.5950.5001.1841.1001.7871.700
0.6400.5501.2391.1501.8341.750
0.6900.6001.2861.2001.8891.800
0.7400.6501.3331.2501.9361.850
0.7900.7001.3881.3001.9911.900
0.8400.7501.4351.3502.0381.950
1．單能電子的物質阻止本領的測定
利用在出射電子與探測器之間插入50m鋁箔後能峰的變化來計算單能電子的質量阻止本領，即求鋁箔對能量為的單能電子的物質阻止本領
T為鋁箔厚度，為鋁的密度。
要求：根據附錄中給出的鋁對不同能量電子阻止本領計算能量為的單能電子的質量阻止本領的理論值，實驗值與理論值比較，求相對誤差。
附數據記錄表格(Tρ=0.005cm2.7g/cm3=0.0135g/cm2)
鋁箔厚度(m)單能電子能峰道址E(MeV)E(MeV)修正值能量符號
0E0
50E1
2．半吸收厚度的測量
記錄無鋁箔時的右半峰總計數，並記錄依次插入300m，350m，400m，450m，500m鋁箔後的右半峰總計數，用插值法求吸收強度降到一半所對應的鋁箔厚度，與經驗值比較，計算相對誤差。
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