用快速电子验正相对论效应

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1、用快速电子验正相对论效应相对论是近代物理学的两大理论支柱之一。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学乃至哲学思想都有深远影响。相对论提出后，为了检验这个理论的基本假设和各种相对论效应，人们反复不断采用各种实验方法和测量技术进行观测，从而为这个理论提供了丰富的实验证据。本实验以原子核衰变过程中放射出的高速运动的电子作为实验对象，利用半圆聚焦β磁谱仪，通过同时测定快速电子的动量值和动能值，来验证动量和动能之间的相对论关系。一、实验目的1.学习相对论的一些基本原理，验证动能和动量的相对论关系；2.学习磁谱仪、闪烁记数器的测量原理及使用方法。二、仪器用具RES相对

2、论实验谱仪三、实验原理1.相对论效应经典力学认为，时间和空间是彼此无关的，与物质的存在和运动无关。这就是所谓经典力学中的“绝对时间”和“绝对空间”的观点，也称作牛顿绝对时空观。在这一时空观下，同一物体在不同惯性参照系中的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系；不同惯性系中力学规律满足伽利略力学相对性原理—在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同，具有相同的数学表达形式。但是，随着物理学的发展，特别是20世纪初叶就已发现一些现象与经典力学的一些概念和定律相抵触。牛顿的绝对时空观和建立在这一基础上的经典力学开始陷入了无法解决的困境。19世纪末至20世纪初，

3、人们试图将伽利略变换和伽利略力量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，对于高速运动的物体伽利略变换是不正确的；在所有惯性参照系中，光在真空中的传播速度是不变的。在此基础上，1905年爱因斯坦提出了狭义相对论。这一理论描述了一种新的时空观，认为时间和空间是相互联系的，而且时间的流逝和空间的延拓也与物质和运动有不可分割的联系。并据此导出了从一个惯性系到另一个惯性系的变换方程—洛伦兹变换。在洛伦兹变换下，一切物理学定律都具有相同的数学表达形式—相对性原理。按照爱因斯坦的狭义相对论，在洛伦兹变换下，静止质量为、速度为的质点，其相对论动量应为(1)式中的，。相对

4、论能量为(2)这就是著名的质能关系。是运动物体的总能量，物体静止时的能量为，称为静止能量，两者之差为物体的动能，即(3)当时，式(2)可展开为(4)即得经典力学中的动能—动量关系。由式(1)和(2)可得：(5)这就是狭义相对论的能量与动量关系，而动能与动量的关系为(6)式(6)就是我们要验证的狭义相对论的动能与动量的关系。图1快速电子的动量与动能关系经典相对论对于高速运动的电子，其静止能量为，经典力学的动能—动量关系式(4)可化为(7)相对论的动能与动量的关系为(8)快速运动电子的动量与动能的关系曲线如图1所示。图2电子动量、动能测量原理图因此，通过同时测量快速电子的动

5、能及动量即可检验式(8)是否成立，尽而说明式(6)是否成立，狭义相对论效应是否存在。1.动能和动量的测量本实验采用半圆聚集真空磁谱仪测量电子的动量和动能。如图2所示，放射源所放出的动量为的快速电子垂直入射到一磁感应强度为的均匀磁场中时，受洛伦兹力的作用而作圆周运动，其动力学方程为(9)式中、分别为电子电荷和质量，为电子运动轨道的半径，为电子运动的速率，所以(10)若在距源处放置一能量探测器，则从该位置出射的电子的能量（动能）可由探测器直接测出，而其动量值则为(11)源射出的粒子具有连续的能量分布，因此移动探测器在不同位置（不同），就可测得一系列不同的能量与对应的动量值，

6、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，进而验证相对论动能与动量的对应关系式(8)，并与经典关系式(7)进行比较。四、实验装置探测器磁板磁板真空室真空表图4RES相对论效应实验谱仪图3RES相对论实验谱仪简图本实验采用RES相对论实验谱仪来同时测定快速电子的动能和动量，其结构示意图及实际装置如图3和4所示。相对论实验谱仪由半圆聚焦真空磁谱仪、能量谱仪和放射源3部分组成。1.半圆聚焦真空磁谱仪：由永久磁板、真空盒、真空表及真空泵构成，用于分离不同能量的电子并测量它们的动量，其动量测量原理见实验原理2中的叙述。其磁场强度值为。图5能谱仪测量原理简图输出能谱输

7、出脉冲光电子荧光次级电子射线放射源与闪烁体作用产生光电、康普顿和电子对效应使闪烁体激发并退激发被光电倍增管光阴极吸收各倍增级逐级放大被多道分析器采集2.能谱仪：由能量探测器（由200铝窗NaI闪烁晶体、光电倍增管和相应电子线路板组成）、高压电源和多道分析器（由数据采集系统、软件及计算机3部分组成）3部分组成，与磁谱仪一起用于测量电子的动能。其测量原理简图如图5所示。由于NaI（Tl）晶体易潮解，因此用铝膜密封并遮挡杂散光。为了降低本底的影响，NaI（Tl）晶体外壳采用了铅铝组合屏蔽措施。粒子通过铝膜时，有少量能量损失，需进行修正。3.放射