实验二快速电子的动量与动能的相对论关系

1、实验二快速电子的动量与动能的相对论关系-实验目的本实验通过对快速电子的动量值及动能的同时测定来验证动量和动能之间的相对论关 系。同时实验者将从中学习到B磁谱仪测量原理、闪烁记数器的使用方法及一些实验数据处 理的思想方法。实验内容1. 测量快速电子的动量。2. 测量快速电子的动能。3. 验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。经典力学总结了低速物理的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观：认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系；同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量(如坐标、速度)可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利 略变换下是不变的。19世纪

2、末至20世纪初，人们试图将伽利略变换和力学相对性原理推广到电磁学和光学时遇到了困难；实验证明对高速运动的物体伽利略变换是不正确的，实验还证明在所有惯性参照系中光在真空中的传播速度为同一常数。在此基础上，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论；并据此导出从一个惯性系到另一惯性系的变换方程即“洛伦兹变换”。洛伦兹变换下，静止质量为m。，速度为v的物体，狭义相对论定义的动量 p为：momv(4 1)式中 mm。/ . 12v / c。相对论的能量E me22这就是著名的质能关系。me是运动物体的总能量,E为：(42)2 当物体静止时v=0 ,物体的能量为E)=m oe称为静止能量；两者之差为物体的动能

3、Ek me2 moe2moe2(亠飞1)(4 3)当B? 1时，式(4 3 )可展开为21 vEkmoe (122 emoe2mov1_p!2 mo(4 4)即得经典力学中的动量 一能量关系。由式(4 1)和(4 2)可得：2 2 2 2E c pE0(4 5)这就是狭义相对论的动量与能量关系。而动能与动量的关系为：22242Ek E Eo. c pm。cm°c(46)这就是我们要验证的狭义相对论的动量与动能的关系。对高速电子其关系如图所示，图中2pc用MeV作单位，电子的 moc=O.511MeV。式(44)可化为：. 2 2 2 21 p c p cEk22 moc2 0511以

4、利于计算。四实验装置及方法实验装置主要由以下部分组成：真空、非真空半圆聚焦 磁谱仪； 放射源90Sr90丫(强13760度 1毫居里)，定标用丫放射源Cs和 Co(强度 2微居里)：200 mAl窗Nal(TI)闪烁探头；数据处理计算软件；高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。一 虑空泉3YSrB源射出的高速B粒子经准直后垂直射入一均匀磁场中（V B ）,粒子因受到与运动方向垂直的洛伦兹力的作用而作圆周运动。如果不考虑其在空气中的能量损失（一般情况下为小量），则粒子具有恒定的动量数值而仅仅是方向不断变化。粒子作圆周运动的方程为：dpev B （47）dtm是不变的，故e为电子电荷，v为粒子速度

5、，B为磁场强度。由式（41）可知p=mv，对某一确定的动量数 值P,其运动速率为一常数，所以质量dpdtdvm一 ,dtdv dt(4 8)所以p eBR式中R为B粒子轨道的半径，为源与探测器间距的一半。在磁场外距B源X处放置一个B能量探测器来接收从该处出射的B粒子，则这些粒子的能量（即动能）即可由探测器直接测出，而粒子的动量值即为：p eBR eB X/2。由于B源909038 Sr 39Y32.27MeV）射出的B粒子具有连续的能量分布（02.27MeV）,因此探测器在不同 位置（不同X）就可测得一系列不同的能量与对应的动量值。这样就可以用实验方法确定测量范围内动能与动量的对应关系，进而验

6、证相对论给出的这一关系的理论公式的正确性。五实验步骤1 .检查仪器线路连接是否正确，然后开启高压电源，开始工作；2 打开60 Co 丫定标源的盖子，移动闪烁探测器使其狭缝对准60 Co源的出射孔并开始记数测量；3 调整加到闪烁探测器上的高压和放大数值，使测得的60 Co的1.33MeV峰位道数在一个比较合理的位置（建议：在多道脉冲分析器总道数的50%70%之间，这样既可以保证测量高能B粒子（1.81.9MeV）时不越出量程范围，又充分利用多道分析器的有效探测范围）;4 选择好高压和放大数值后，稳定1020分钟；605 正式开始对Nal（TI）闪烁探测器进行能量定标，首先测量Co的丫能谱，等1.

7、33MeV光电峰的峰顶记数达到1000以上后（尽量减少统计涨落带来的误差），对能谱进行数据分析，记录下1.17和1.33MeV两个光电峰在多道能谱分析器上对应的道数CH3、CH4；6 移开探测器，关上60 Co 丫定标源的盖子，然后打开137Cs 丫定标源的盖子并移动闪烁探测器使其狭缝对准137Cs源的出射孔并开始记数测量， 等0.661MeV光电峰的峰顶记数达 到1000后对能谱进行数据分析， 记录下0.184MeV反散射峰和0.661 MeV光电峰在多道 能谱分析器上对应的道数 CH1、CH2 ；1377 关上 Cs 丫定标源，打开机械泵抽真空（机械泵正常运转23分钟即可停止工作）；&am

8、p; 盖上有机玻璃罩，打开B源的盖子开始测量快速电子的动量和动能，探测器与B源的距 离X最近要小于9cm、最远要大于24cm，保证获得动能范围 0.41.8MeV的电子；9选定探测器位置后开始逐个测量单能电子能峰，记下峰位道数 CH和相应的位置坐标 X；10全部数据测量完毕后关闭B源及仪器电源，进行数据处理和计算。六数据处理1真空状态下P与X的关系的合理表述由于工艺水平的限制，磁场的非均匀性（尤其是边缘部分）无法避免，直接用p eBR eB X/2来求动量将产生一定的系统误差；因此需要采取更为合理的方式来表述P与X的关系。设粒子的真实径迹为 aob，位移ds与Y轴的夹角为，如上图所示；贝U d

9、s在X轴上的投影为sin ds。显然有：1xsin ds sin ds0 0(1)(4 9)又因为dsR d以及RP/eB,(其中 R> B分别为ds处的曲率半径和磁场强度 ）,则有PP sinXsindd（真空中P为定值）(410)0eBe 0 B所以有：sin1 _11 sinPe X /-d-Be X(d )(4 11)0 B2B 2 0 B1把=改写成:B1sin,.d / sindB0 B0则物理含义更为明显：即 1/B为粒子在整个路径上的磁场强度的倒数以各自所处位置处的 位移与Y轴夹角的正弦为权重的加权平均值。显然，B相当于均匀磁场下公式 p eBR eB X / 2中的磁场

10、强度 B；即只要求出B，就能更为确切地表述 P与X的关系， 进而准确地确定粒子的动量值。实际计算操作中还需要把求积分进一步简化为求级数和；即可把画在磁场分布图上直径为X的半圆弧作N等分（间距取10毫米左右为宜），依此读出第i段位移所在处的磁场强 度Bi，再注意到：则最后求和可以得到:1 sind2 0 B所以:i n (i 1)以及1 N2Ni1SinN(i 1)/Bi2NNi1SinN(i1)/Bi(412)(4 13)Ne xPsin (i1)/Bii 1 N2. B粒子动能的测量粒子与物质相互作用是一个很复杂的问题，如何对其损失的能量进行必要的修正十分重要。粒子在Al膜中的能量损失修正在

11、计算粒子动能时还需要对粒子穿过Al膜（220 m : 200 m为Nal（TI）晶体的铝膜密封20 m为反射层的铝膜厚度）时的动能予以修正，计算方法如下。粒子在Al膜中穿越x的动能损失为E,dEExdx层厚度,设则:(4 14)其中.dE（些 0）是Al对 粒子的能量吸收系数,dx dx（是Al的密度），空是关于E的函数,dx同E情况下 竺的取值可以通过计算得到。可设 dx则粒子穿过整个Al膜的能量损失为:E2 E1x dK (E)dxx(48);dEdxEiK (E),则 E=K(E) x;取 xx dE2 K(E)dxx(415)E(MeV)E2(MeV)日(MeV)E2(MeV)E1(M

12、eV)Ea(MeV)0.3170.2000.8870.8001.4891.4000.3600.2500.9370.8501.5361.4500.4040.3000.9880.9001.5831.5000.4510.3501.0390.9501.6381.5500.4970.4001.0901.0001.6851.6000.5450.4501.1371.0501.7401.650其中d为薄膜的厚度，E2为出射后的动能，膜衰减后的动能，所以经公式（4 9）可计算出修正后的动能（即入射前的动能）。下表列出了根据本计算程序求出的入射动能E和出射动能E2之间的对应关系：Ei为入射前的动能。由于实验探测到

13、的是经Al0.5950.5001.1841.1001.7871.7000.6400.5501.2391.1501.8341.7500.6900.6001.2861.2001.8891.8000.7400.6501.3331.2501.9361.8500.7900.7001.3881.3001.9911.9000.8400.7501.4351.3502.0381.950 粒子在有机塑料薄膜中的能量损失修正此外，实验表明封装真空室的有机塑料薄膜对存在一定的能量吸收，尤其对小于0.4MeV的 粒子吸收近 0.02MeV。由于塑料薄膜的厚度及物质组分难以测量，可采用实验 的方法进行修正。实验测量了不同

14、能量下入射动能Ek和出射动能曰（单位均为MeV）的关系,采用分段插值的方法进行计算。具体数据见下表：Ek(MeV)0.3820.5810.7770.9731.1731.3671.5671.752Eo(MeV)0.3650.5710.7700.9661.1661.3601.5571.7473 数据处理的计算方法和步骤:设对探测器进行能量定标（操作步骤中的第5、6步）的数据如下:能量(MeV)0.1840.6621.171.33道数（CH）48152262296实验测得当探测器位于21cm时的单能电子能峰道数为204，求该点所得B粒子的动能、动量及误差，已知B源位置坐标为 6cm、该点的等效磁场强

15、度为620高斯（Gs）。1）根据能量定标数据求定标曲线0.662MeV,CH2152；根据最小二乘原理用线性拟合E3 1.17MeV,CH3的方法求能量E和道数已 知E1 0.184MeV,CH1 48；E2262 ； E4 1.33MeV,CH4296 ；CH之间的关系：CH可以推导，其中:代入上述公式计算可得:1CH iib niEii(CH i Ei)CH i 20.038613CH iCH i(CH i Ei)Eii2CH i)0.0046 CH2 ）求3粒子动能巨=0.8998MeV，注意：此为B粒子穿过总计对于X=21cm 处的B粒子： 将其道数204代入求得的定标曲线，得动能22

16、0 m厚铝膜后的出射动能，需要进行能量修正; 在前面所给出的穿过铝膜前后的入射动能曰和出射动能E2之间的对应关系数据表中取E2=0.8998MeV前后两点作线形插值，求出对应于出射动能E2=0.8998MeV的入射动能Ei=0.9486MeVE(MeV)E2(MeV)0.9370.8500.9880.900 上一步求得的E为B粒子穿过封装真空室的有机塑料薄膜后的出射动能E。，需要再次进行能量修正求出之前的入射动能E=，同上面一步，取 E0=0.9486MeV前后两点作线形插值，求出对应于出射动能 B=0.9486MeV的入射动能 E<=0.9556MeV ;Ek(MeV)0.7770.9

17、73E0(MeV)0.7700.966E<=0.9556MeV才是最后求得的B粒子动能。3）根据B粒子动能由动能和动量的相对论关系求出动量PC （为与动能量纲统一，故把动量P乘以光速，这样两者单位均为MeV ）的理论值由 Ek E E0 . c2p2 mc4 moc2 得出：PC（Ek m0c2）2 m'c4将B<=0.9556MeV代入，得PCT=1.3747MeV，为动量PC的理论值。4）由P eBR求PC的实验值所以X=21cm处所得的B粒子的曲率半径为：B源位置坐标为6cm ,R(216)/27.5cm ；电子电量e1.6021910 19 C,磁场强度B620Gs0.062T，光速c2.99108m / s ；所以:PC eBRC 1.6021910 190.0620.0752.99108 J ；因为 1eV 1.6021910 19 J，所以:PCBRC (eV) 0.0620.075 2.99108eV1390350 eV1.39 MeV5 ）求该实验点的相对误差DPCDPC -PC PCT忙39闻 100% 1.1%PCT1.3747七思考题1. 观察狭缝的定位方式，试从半圆聚焦B磁谱仪的成象原理来论证其合理性。2. 本实验在