验证快速电子的动量与动能的相对论关系实验报告

验证相对论关系实验报告一、 实验目的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。二、 实验原理（一）理论依据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”。在经典力学中，动量表达式为p=mv。在狭义相对论中，在洛伦兹变换下，静止质量为m0，相对论性质量为m，速度为v的物体，狭义相对论定义的动量p为：mp- 0-v=mv v'1-&2式中m-m。/;1-p2,p-v/c。狭义相对论中，质能关系式E-mc2是质点运动时遇有的总能量，当物体静止时v=0，物体的能量为E=mc2称为静止能量；两者之差为物体的动能Ek，即 001Ek-mc2—mc2-mc2（「 ——1）当B1时，可展开为1V2 1 1p2Ek-mc2（1+^b）一mc2牝万mV2=万——即得经典力学中的动量一能量关系。E2-c2p2=E02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：Ek=E—E0=\，c2p2+m2c4—mc2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pc用MeV作单位，电子的mc2=0.511MeV。可化为：01p2c2 p2c2E,= = k2m0c2 2x0.511PC[MeV]（二）数据处理思想方法1.B粒子动量的测量放射性核素B衰变时，在释放高速运动电子的同时，还释放出中子，两者分配能量的结果，使B粒具有连续的能量分布，因此也就对着各种可能的动量分布。实验中采横向半圆磁聚焦B谱仪（以下简称谱仪）来测量B粒子的动量。该谱仪采用磁场聚焦，子运动轨道是半圆形，且轨道平面直于磁场方向。为减小空气分子对粒子运动的影响，磁谱仪内预抽真空运动的B粒子在磁场中受洛仑兹力用，其运动方程为—=evxJdt其中p为B粒子动量，e为电子电荷，u为B粒子的运动速度，B为均匀磁场的磁感应强度。由于洛仑兹力始终垂直于B粒子的运动方向，所以B粒子的运动速率不发生改变，那么质量也就保持恒定，解此运动方程可得p=eBR此处R为B粒子运动轨道的曲率半径。装置中，如果磁感应强度B已知，我们只须左右移动探测器的位置，通过测量探测器与B放射源的间距（2R），由公式就可得到B粒子的动量。2.B粒子动能的测量测量B粒子的动能用闪烁能谱仪完成。需要注意的是，由于闪烁体前有一厚度约200um的铝质密封窗，周围包有约20um的铝质反射层，而且磁谱仪真空室由塑料薄膜密封，所以B粒子穿过铝质密封窗、铝质反射层和塑料薄膜后，其损失的部分动能必须进行修正。当材料的性质及其厚度固定后，这种能量损失的大小仅与入射粒子的动能有关，因此应根据实验室提供的仪器具体参数进行校正，而由测量到的粒子的动能，给出入射粒子进入窗口前的动能大小。

三、实验装置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90Sr—90Y（强度§1毫居里），定标用Y放射源137CS和60Co（强度§2微居里）；200mAl窗NaI（Tl）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。核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：1） 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；2） 受激原子、分子退激时发射荧光光子；3） 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子;电子流在阳极负载上产生电信号;5）此信号由电子仪器记录和分析。「腿一F4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号;5）此信号由电子仪器记录和分析。「腿一F通常NaI（Tl）单晶Y闪烁谱仪的能量分辨率以137CS的0.661MeV单能y射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。四、实验步骤实验的内容要求：测量快速电子的动量；测量快速电子的动能；验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。实验过程如下：检查仪器线路连接是否正确，然后开启高压电源，开始工作；打开60COY定标源的盖子，移动闪烁探测器使其狭缝对准60Co源的出射孔并开始记数测量；调整加到闪烁探测器上的高压和放大数值，使测得的60CO的1.33MeV峰位道数在一个比较合理的位置；选择好高压和放大数值后，稳定10〜20分钟；正式开始对NaI(Tl)闪烁探测器进行能量定标，首先测量60Co的Y能谱，等1.33MeV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；移开探测器，关上60COY定标源的盖子，然后打开137CsY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0.661MeV光电峰在多道能谱分析器上对应的道数CH1、CH2；关上137CSY定标源，打开机械泵抽真空；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0.4〜1.8MeV的电子；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；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。实验注意事项：闪烁探测器上的高压电源、前置电源、信号线绝对不可以接错;装置的有机玻璃防护罩打开之前应先关闭B源；应防止B源强烈震动，以免损坏它的密封薄膜；移动真空盒时应格外小心，以防损坏密封薄膜；用机械泵抽真空时，由于真空盒密封性较差，需要一直让机械泵运作。五、实验数据处理与分析根据实验内容，依照实验操作步骤获得如下实验数据：1.定标：实验采用60Co和137CS辐射源进行定标，由于这两种辐射源的能量我们是已知的，实验中得到峰位与道数的数值并与能量相互对应起来便可以得到恰当的定标数据。实验中设置为高压电源为936v；放大倍数为1倍。实验所得能量与峰位道数的关系数据如下所示：

实验所用B源位置10.0cm处，探测位置有八个，实验时选择位置2、4、6、8进行测量，并且通过两次测量求平均以减小误差。实验B源位置与道数关系数据如下:B源位置与道数关系测量数据B源位置坐标(cm)道数134.5855232741329.5621

427506524.53906222683.相对论关系：将上述所得数据输入计算机软件，在定标的基础上根据B源位置与道数关系得到相关相对论关系数据如下结果：(1)等效磁场法：(2)平均磁场法:⑶主径迹法:

(2)平均磁场法:⑶主径迹法:| 犒E |It!置|琏LM I民史E)| 犒E |It!置|琏LM I民史E)PC/M^V|却h：“ |型■代!浏|4T3：iE-ssm99陋1六、实验总结从实验数据分析看到，误差范围基本在11%左右，说明这次实验误差较大。首先，在B源的测量过程中，需要保持在一定程度的真空状态下，在实验中虽然我们一直让真空泵处于工作状态，但