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

理的思想方法。

二.实验内容

当B ? 1时，式（4- 3 ）可展开为

实验

快速电子的动量与动能的相对论关系

E k m o c 2(1

空

2 c 2

m o c 2

1 2

一 m o v 2

畫(4 - 4)

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

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。

三•原理

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”

洛伦兹变换下，静止质量为 rn,速度为v 的物体，狭义相对论定义的动量

P 为:

m

o

P f -------- =7 mv

P

厂

(4 — 1)

v/ c O 相对论的能量

E mc 2

（4 这就是著名的质能关系。 mC 是运动物体的总能量，

式中m m o /屮

2

-2)

当物体静止时v=0,物体的能量为E o =m,c

2

称为静止能量；两者之差为物体的动能

E<,即

E k mc 2 m o c 2

m o c 2

(丁

J 1

1) (4 — 3)

即得经典力学中的动量一能量关系。

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

2

pc 用MeV 作单位，电子的 me =。式(4 — 4)可化为：

彳 2 2

1 p c E k

2 m o c 以利于计算。

四.实验装置及方法

实验装置主要由以下部分组成：①真空、非真空半圆聚焦

由式(4 — 1)和(4 — 2)可得：

E 2

C 2p 2 E o 2

(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:

E k E E o

r22 J c p

m o 2

c 4

m o c 2

(4 —

6)

磁谱仪；② 放射源

90

Sr —

2 o.511

2 2

P c

6.

1000

90

Y （强度~ 1毫居里），定标用丫放射源137Cs 和60

Co （强度~ 2微居里）：③200 mAI 窗Nal （TI ）

闪烁探头；④数据处理计算软件；⑤高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。

（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 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：

dp

— ev B （4 — 7）

dt

e 为电子电荷，v 为粒子速度，B 为磁场强度。由式（4 — 1）可知P=mv 对某一确定的动量数

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

60

Co 的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~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）

an

127

移开探测器，关上

Co 丫定标源的盖子，然后打开

Cs 丫定标源的盖子并移动闪烁

137

探测器使其狭缝对准 Cs 源的出射孔并开始记数测量，等光电峰的峰顶记数达到

■

后对能谱进行数据分析，记录下反散射峰和 MeV 光电峰在多道能谱分析器上对应的道数

B 源射出的高速B 粒子经准直后垂直射入一均匀磁场中 （一般情况下为

值P,其运动速率为一常数，所以质量

m 是不变的，故

dp dt

dv m 一 dt

dv dt

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。

所以

(4 — 8)

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

P eBR eB X/2。由

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： 于B 源3°Sr

9

9

丫 （0〜射出的B 粒子具有连续的能量分布

（0〜，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

3.

4. 选择好高压和放大数值后，稳定

10〜20分钟;

5. 正式开始对Nal （TI ）闪烁探测器进行能量定标，首先测量

峰顶记数达到1000以上后（尽量减少统计涨落带来的误差） 60

Co 的丫能谱，等光电峰的

，对能谱进行数据分析，记

录下和两个光电峰在多道能谱分析器上对应的道数

CH 3、 CH ;