伽马能谱与相对论验证
伽马能谱仪工作原理
伽马能谱仪工作原理
伽马能谱仪是一种用于测量伽马射线的能量和强度的科学仪器。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 伽马射线进入能谱仪：伽马射线首先通过探测器外层的防护物质，通常是铅或铝等，以减少外部环境对探测器的干扰。
然后它们通过进入探测器的探测窗口。
2. 探测器的能量转换：伽马射线进入探测器后，与其内部材料相互作用，通过电离、激发或其他过程转换为电子或光子能量。
3. 探测器测量电子或光子能量：转换后的电子或光子能量被探测器内的能量敏感材料吸收，并产生测量信号。
能量敏感材料的选择取决于要测量的伽马能量范围。
4. 信号放大和处理：探测器产生的微弱测量信号经过放大和处理，以便能够准确地测量能谱仪中伽马射线的能量和强度。
5. 数据分析和能量谱绘制：经过信号放大和处理后，测量信号被传送到数据采集系统。
数据采集系统将信号转换为数字信号，并进行数据分析和能谱图的绘制。
通过对伽马射线能量和强度的测量，伽马能谱仪可以用于核物理、天文学、地球科学等领域的研究和应用。
它可以帮助科学家了解伽马辐射的来源、能量分布等重要信息，从而推动科学研究的进展。
相对论验证实验关于本学期实验一些感想-精选文档
一. 理论的提出
• 1905年, 爱因斯坦提出了相对性原理和光 速不变原理,建立了狭义相对论。在狭义 相对论下,高速运动的粒子体现出与牛顿 经典力学截然不同的性质。
相对论与牛顿力学 关于动量与动能间关系的比较:
在牛顿力学中
• 动量值与动能的关系为：
Ek=P² /2m
对静止质量为M0，速度为v的物体，
狭义相对论定义的动量p为：
式中
相对论的能量E为： E=mc²
(1)
当物体静止时v=0，物体的能量为E0=M0C² 称 为静止能量；两者之差为物体的动能Ek，即
由式(1)和(2)可得：
E² -c² p² =E0²
这就是狭义相对论的动量与能量关系。
动能与动量的关系为：
从上式可以看出,相对论与牛顿力学关于动量与动能间关系在低速状态下 差别不大,而在高速状态下有明显区别
实验过程：
1.将β源放置在架上，选择合适的高压，使能谱仪采集的图 像在软件中更好的显示。将探测头放置到不同的X位置上， 测量采集到图像的峰道值。数据如下：
x轴（cm）
32.5
30.3
27.60
25.10
22.40
20.00
峰道值
950
803
655
516
373
236
2. 换上137Cr，60Co放射源，测量反散射峰， 光电峰等峰值。进行定标：
实验装置如图所示：
图2
实验原理(仪器运作原理):
• 如图2,β 源射出的高速β 粒子经准直后 垂直射入一均匀磁场中，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。有： • P=mV=eBR • 式中R为β粒子轨道的半径，为源与探测 器间距的一半。
伽马粒子相互作用实验证据及分析
伽马粒子相互作用实验证据及分析引言：伽马粒子，也被称为光子，是电磁相互作用中的载波，其具有无质量、自旋为1、不带电荷等特征。
伽马粒子在物理学研究中扮演着重要的角色，了解其相互作用及实验证据的分析对于理解基本粒子行为有着重要意义。
本文将就伽马粒子相互作用的实验证据进行详细讨论及分析。
一、实验证据一：康普顿散射实验康普顿散射实验为研究伽马粒子与物质相互作用的重要实验。
该实验通过观察伽马射线与物质发生散射后的能量变化，验证了康普顿效应。
在康普顿散射实验中，将一束伽马射线照射到碳或铝等材料上，观察散射射线的能谱。
实验证明，伽马射线与物质发生散射后，能量发生偏移，这一现象可以用康普顿效应来解释：伽马射线与物质中的自由电子发生碰撞，动量和能量交换，使得入射伽马射线能量发生了减少或增加的变化。
这一实验证据表明，伽马粒子与物质中的电子发生相互作用，进一步验证了伽马粒子的相互作用特性。
二、实验证据二：伽马射线的康普顿散射实验为了进一步验证康普顿效应，科学家进行了伽马射线的康普顿散射实验。
这一实验通过测量散射角度和散射后的伽马射线能量，得到了与康普顿散射理论相符的结果。
实验中，用一束碘-125放射源照射到铝靶上，通过测量散射光子在不同角度下的能谱，得到了康普顿散射光子能谱的数据。
实验证明，散射光子的能量与散射角度呈反比关系，这与康普顿散射理论的预测相符。
这一实验证据进一步验证了伽马粒子与物质相互作用中的康普顿效应，并提供了对伽马射线能量和角度关系的实验支持。
三、实验证据三：皮卡德衰变实验皮卡德衰变是指由伽马射线通过自发衰变转变为电子-正电子对，这一实验为研究伽马粒子相互作用提供了重要证据。
在实验中，科学家在伽马射线源附近引入透明的铝箔，观察到光亮的闪光，表明伽马射线与铝箔相互作用产生了电子-正电子对。
进一步实验证明，这一现象可以用皮卡德衰变理论来解释：伽马射线通过与原子核或电子发生相互作用，能量转化为电子-正电子对的质量。
伽马能谱实验报告doc
伽马能谱实验报告篇一：闪烁伽马能谱测量实验报告实验题目：《闪烁γ能谱测量》一、实验目的1加深对γ射线和物质相互作用的理解。
2.掌握NaI(Tl)γ谱仪的原理及使用方法。
3.学会测量分析γ能谱。
4.学会测定γ谱仪的刻度曲线.。
二、实验仪器Cs放射源 Co放射源 FH1901型NaI闪烁谱仪 SR-28双踪示波器三、实验原理1. γ射线与物质相互作用γ射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子对效应。
1）光电效应：在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。
所以，释放出来的光电子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能B?之差。
因此，E光电子=E??Bi?E?（需要原子核参加） 2）康普顿散射：康普顿散射是γ光子与原子外层电子相互作用的结果。
反冲电子的动能为：Ee?E?2(1?cos?)m0c2?E?(1?cos?)即使入射γ光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。
3）电子对效应：电子对效应是γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。
根据能量守恒定律，只有当入射光子的能量hν大于2m0c2，即hν〉1.02MeV时，才能发生电子对效应。
（与光电效应相似，需要原子核参加）2． NaI（Tl）γ能谱仪介绍 1）闪烁谱仪装置示意图2）闪烁谱仪的工作原理Γ射线次级电子荧光Γ放射源与闪烁体发闪烁体受光阴极吸收生三种作用激辐射光电子电脉冲定标器记录分析器分析各打拿极逐级放大3)能谱分析（以137Cs为例）全能峰是γ光子与闪烁体发生光电效应产生的，直接反映了γ射线的能量；康普顿坪是由康普顿效应贡献的；逸出的γ射线与闪烁体周围的物质发生康普顿散射，反散射光子进入闪烁体发生光电效应形成反散射峰。
4）谱仪的能量分(原文来自：小草范文网:伽马能谱实验报告)辨率和能量刻度曲线闪烁单晶γ谱仪最主要的指标是能量分辨率和线性。
相对论验证实验中的结果解释和能谱图分析
相对论验证实验中的结果解释和能谱图分析摘要：文章首先通过简单介绍作者在相对论验证实验中得到的结果，针对实验计算机一步给出的数据结果和图形结果进行解释，然后针对β-粒子能谱图的两个峰值的数据进行峰值来源的分析，最后针对峰值随探测器位置变化的现象进行浅析，得出分析结论。
关键词：相对论验证实验，结果解释，能谱图变化分析正文：实验原理介绍： 电荷为e，速度为v的电子在磁感应强度为B的磁场中运动时，运动方程为：B V e dtV m d r r r ×−=)( ……（1） 电子在垂直于均匀磁场的平面中运动时，上式化为： mV 2/R=eVB → P=mV=eBR ……（2） P 为电子动量，R 为电子运动轨道的曲率半径。
基于（2）式P 和BR 的关系，在磁谱仪中常以BR 值表示电子的动量，对应不同的B 值和R 值可以对应不同的电子动量，可见β磁谱仪是一个可进行动量分析的仪器。
实验的基本思想是以高速电子即β-粒子作为实验对象,验证其动能与动量符合相对论关系式, 从而验证爱因斯坦相对论的基本理论及其推论的正确性。
经典力学中的动能与动量的关系式为E k =p 2c 2/2m 0c 2 ……（3），而在相对论下推得的动能与动量的关系式为E k =E - E 0=（P 2c 2 + m 02c 4）1/2 - m 0c 2……(4)。
只需通过实验测出高速电子的动量与动能,并依此作出E k -Pc 图,将其与经典力学下的E k -Pc 图进行比较,从而得出实验的结论。
实验装置：（1）真空、非真空半圆聚焦B磁谱仪；（2） β放射源90Sr—90Y (强度≈ 1毫居里) , 定标用γ放射源137Cs和60Co (强度≈ 2微居里) ；（3） 200um Al窗NaI(Tl)闪烁探头；（4） 数据处理计算软件，计算机；（5） 高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。
实验结果：（1） 能量定标： 表一 能量定标数据 E/MeV 0.184 0.662 1.17 1.33CH 87 314 557 630能量定标曲线方程：E=0.00211×CH+0.000498 （MeV）（2）β-粒子能谱图，横坐标为道址CH，纵坐标为记数率N其中，A峰对应β粒子经过Al膜进入NaI(Tl)闪烁探头后的能量，B峰对应系统的本底噪声留待文章后面分析（3）探测器不同位置测得的峰值道址： 探测器位置/cm 21.20 23.10 25.68 28.42 30.70道址CH 285 375 498 629 736（4）高速电子动能和动量的测量依据实验室计算机软件上给出的数据结果为：A． 等效磁场法(真空) ：CH E/Mev x/cm Pc/Mev PcT/MeV AverageMag/Gs DPC 285 0.699 21.2 1.086 1.097 646.88 1.0% 375 0.886 23.1 1.271 1.300 647.58 2.2% 498 1.145 25.7 1.524 1.575 648.76 3.2% 629 1.421 28.4 1.796 1.863 650.49 3.6% 736 1.647 30.7 2.017 2.096 650.36 3.8%B． 均匀磁场法（真空）：Magfield B=648.4 GsCH E/MeV x/cm Pc/MeV PcT/MeV DPC285 0.699 21.2 1.088 1.097 0.8% 375 0.886 23.1 1.273 1.300 2.1% 498 1.145 25.7 1.524 1.575 3.3% 629 1.421 28.4 1.790 1.863 3.9% 736 1.647 30.7 2.011 2.096 4.1%依据实验室计算机软件上给出的图象结果为：无论是对于等效磁场还是均匀磁场均与该图趋势类似实验结果分析与深入分析：鉴于实验的计算机软件是经过设计能够专门处理该实验的结果，能够一步给出实验的数据结果和拟合的图象，但是并没有给出这些数据和图象的来由，而参考资料上有没有说明，在这里对它们进行一些说明和验证，以便让结果有据可依：1. 对计算机软件给出的数据和图象进行分析：（1）关于能量E的由来：（可以发现A，B表中前三排数据E、CH、X是完全一样的）由定标曲线可得到，能量的表达式为： E=0.00211×CH+0.000498；尝试着代入CH=285进行试算可得：E=0.00211*285+0.000498=0.601848～0.602（MeV）＜0.699MeV,由此可见，能量E并不是简单地由定标曲线上计算出来的，而是程序自动加上了β-粒子穿过Al膜、穿过封闭真空室的有机塑料薄膜时损失的能量得来的，因此比能量定标曲线计算值更大。
γ射线能谱测量
感想体会： 1. 通过本实验,我们了解了γ射线能谱图的特点,学习了γ射线闪烁探测器的 使用. 2.特别感谢唐老师对我们的指导.
长. <2>.放大器电压对放大器的影响是非线性的,但接近于线性.放大器电压
越大,能谱图越长. 故该放大器可以看作线性放大器.
结果讨论： 从原子核中发射出来的γ射线本身就是有不同的能量的，当我们用探测器去
测量时，因为有上述三种的效应存在，特别是康普顿效应的发射电子能量是连续 的，所以即使是单能的γ射线，我们从探测器中得到的信号也是连续的，应此γ 射线能谱有三个峰和一个平台，最右边的峰为全能峰，是由于光电效应贡献的， 平台是康普顿效应贡献的，1 号峰为反散射峰，是γ射线发生康普顿散射产生的， 为 X 射线峰。
下面我们利用上面的原理简单的来讨论一下γ射线能谱的特点，因为从原子 核中发射出来的γ射线本身就是有不同的能量的，当我们用探测器去测量时，因 为有上述三种的效应存在，特别是康普顿效应的发射电子能量是连续的，所以即 使是单能的γ射线，我们从探测器中得到的信号也是连续的，就如上图所示，γ 射线能谱有三个峰和一个平台，最右边的１号峰为全能峰，是由于光电效应贡献 的，２号平台区域是康普顿效应贡献的，３号峰为反散射峰，是γ射线发生康普 顿散射产生的，４号峰为为 X 射线峰。
γ射线能谱测量
0802 班，程道辉，U200710222 0802 班，安志强，U200710210
前言： γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现的，γ射线是光子，是由原子核
验证相对论关系实验报告
验证相对论关系实验报告 Prepared on 22 November 2020验证快速电子的动量与动能的相对论关系实验报告摘要：实验利用β磁谱仪和NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪，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。
同时介绍了β磁谱仪测量原理、NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的使用方法及一些实验数据处理的思想方法。
关键词：电子的动量电子的动能相对论效应β磁谱仪闪烁记数器。
引言：经典力学总结了低速的宏观的物理运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观，却在高速微观的物理现象分析上遇见了极大的困难。
随着20世纪初经典物理理论在电磁学和光学等领域的运用受阻，基于实验事实，爱因斯坦提出了狭义相对论，给出了科学而系统的时空观和物质观。
为了验证相对论下的动量和动能的关系，必须选取一个适度接近光束的研究对象。
β-的速度几近光速，可以为我们研究高速世界所利用。
本实验我们利用源90Sr—90Y射出的具有连续能量分布的粒子和真空、非真空半圆聚焦磁谱仪测量快速电子的动量和能量，并验证快速电子的动量和能量之间的相对论关系。
实验方案：一、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。
二、实验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”。
新编文档-放射性地球物理第5章 伽玛能谱测量-精品文档
的增加而减小。在铀钍含量的测量精度确定后，U和即Th
在 一定时，就可以在一定的铀钍含量及其比值 范围内，按4-39式计算，求出测量时间。
2、铀、钍含量的误差
• 在已知计数率均方差后，就可求出铀、钍含量 的均方差。
• 例如,由于底数较小，其影响可以忽略时，则能 谱仪1道和2道计数率N1、N2的均方差分别为：
N1
N1 t
a1CU b1CTh t
N2
N2 t
a2CU b2CTh
t
CU CTh
N1 a1Cub1CTh N2 a2Cub2CTh N1,和N2 ：谱仪1道（铀道）和2道（钍道）的计数率 a1,b1和a2,b2 ：换算系数，分别表示在射线饱和条件 下，单位含量的平衡铀、钍在1道和2道 的计数率。
NN12
a1Cub1CTh a2Cub2CTh
CU
b2 N 1 b1N 2 a1b 2 a 2b1
• 式中：ai、bi、ci（i＝1，2，3）称为换算系数，分
别表示单位含量的平衡铀、平衡钍、钾在不同测 量窗内产生的计数率（单位分别为cpm／10-6U、 cpm／10-6Th和cpm／％K），可以通过在铀、钍、 钾三种标准模型上刻度时获得的9个方程来确定。
• 测量铀、钍、钾1.76、2.62、1.46MeV的三个能窗 一般设置为：1.66～1.87MeV；2.41 ～2.81MeV； 1.37 ～1.57MeV
二、换算系数的测定
3、基准（饱和）模型上换算系数的测定
γ能谱实验
γ能谱实验和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间产生γ射线谱。
测量γ射线强度按能量的分布即γ射线谱，简称γ能谱，研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析，同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。
在科研、生产、医疗和环境保护各方面，用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质各种微量元素的含量。
测量γ射线的能谱最常用的仪器是闪烁谱仪，该谱仪在核物理、高能离子物理和空间辐射物理的控测中都占有重要地位，而且用量很大。
一实验目的（1）学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法（2）要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，（3）学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱二实验原理根据原子核结构理论，原子核的能量状态时不连续的，存在分立能级。
处在能量较高的激发态能级E2上的核，当它跃迁到低能级E1上时，就发射γ射线（即波长约在1nm-0.1nm间的电磁波）。
放出的γ射线的光量子能量hγ= E2 - E1，此处h为普朗克常熟，γ为γ光子的频率。
由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。
因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。
测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线按能量的分布。
闪烁谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱。
这种荧光物质常称为闪烁体1. 闪烁体的发光机制闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。
有机闪烁体包括有机晶体闪烁体，有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。
对于无机晶体NaI(Tl)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。
应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。
2. γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：1）光电效应当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能连转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。
伽玛射线能谱测量实验报告
伽玛能谱的测量及透射率的测定实验报告吴伟岑摘要：本实验将伽玛射线的次级电子按不同的能量分别进行强度测量，从而得到伽玛辐射强度按能量的分布。
由于伽玛射线的能量与原子核激发态的能级特性相联系，不仅对于原子核的结构和性质至关重要，而且对各种放射性同位素的应用也是或不可缺的。
关键词：伽玛射线、能谱、NaI(Tl)、伽玛闪烁谱引言测量伽玛射线的强度和能量是核辐射探测的一个重要方面，在核物理研究中，测量原子核的激发能级、研究核衰变纲图、测定短的核寿命及进行核反应实验等，都需要测量伽玛射线，在放射性同位素的工业、农业、医疗和科学研究的各种应用中也经常使用伽玛射线和要求进行伽玛射线的各种测量。
在伽玛射线测量工作中广泛使用Nal(Tl)单晶能谱仪和Ge(Li)半导体能谱仪，由于后一谱仪具有高的能量分辨率，同时使用计算机技术，使伽玛射线的能谱测量工作在广度和精度方面都有很大的进展。
Ge(Li)半导体谱仪虽然具有高的分辨率和良好的线性，但是它要求在低温下保存和使用，且要定期加液氮，这显然是不方便的，而且它对仪器设备有较高的要求，价格也较贵，而Nal(Tl)单晶伽玛谱仪则有较高的探测效率，保管和使用都较为方便，所以在一般情况下尽可能使用Nal(Tl)单晶闪烁探测器伽玛能谱仪。
正文一．实验内容1.学会NaI(Tl)单晶伽玛闪烁体整体装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。
2.测量137Cs、60Co的伽玛能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。
3.了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶伽玛谱测量中的数据采集及其基本功能。
4.数据处理(包括对谱形进行光滑、寻峰、曲线拟合等)。
二．实验装置1.伽玛放射源137Cs和60Co (强度~1.5微居里)；2.200微米Al窗NaI(Tl)闪烁头；3.高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析仪。
三．实验步骤1.阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。
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m 0,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：p m v mv=-=012β式中m m v c=-=012/,/ββ.狭义相对论中，质能关系式E mc =2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 0=m 0ｃ2称为静止能量;两者之差为物体的动能Ｅk ，即E mc m c m c k =-=--222200111()β当β« 1时，可展开为E m c v c m c m v p m k =++-≈=00022222201121212()即得经典力学中的动量-能量关系。
E c p E 22202-=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 E E c p m c m c k =-=+-02242020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M ｅV 作单位，电子的m 0c 2=0。
5１1Me Ｖ.可化为：E p c m c p c k ==⨯1220511222220.(二)数据处理思想方法 1.β粒子动量的测量放射性核素β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β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。
近代物理实验报告—γ能谱用β粒子验证相对论动量-能量关系
γ能谱用β-粒子验证相对论动量-能量关系【摘要】 本实验通过测量高速运动的β-粒子的动量与能量关系研究了经典力学与相对论力学在高能端的差异性。
证明牛顿力学只适用于低速运动的物体，当物体的速度接近光速时，必须使用相对论力学。
关键词：经典力学、狭义相对论、γ能谱、-β粒子一、引言爱因斯坦狭义相对论揭示了高速运动物体的运动规律，创立了全新的时空观，适用于近代物理各个领域，尤其是核物理和粒子物理方面。
通过实验学习γ光子和β-粒子与物质的相互作用以及β磁谱仪和β闪烁谱仪的测量原理和使用方法。
二、实验原理1、牛顿力学动量与动能之间的关系牛顿的绝对时空观认为时间和空间是具有绝对性的两个独立的概念，力学相对性原理说明：同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量可通过伽利略变换互相联系，即力学规律在伽利略变换下不变。
在牛顿力学中，任何物体的质量m 0都是一个常量，当其以速度υ运动时，其动量p 和动能E k 分别为：p =m 0v （1）k E =2012m v （2） 所以动量与动能的关系为：k E =2012p m （3）2、狭义相对论中动量与动能之间的关系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。
实验证明牛顿力学对高速运动的物体是不适用的，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论并导出从一个惯性系到另一个惯性系的洛伦兹变换变换方程。
在洛伦兹变换下，质量和速度v 的关系为:m =（4）其中m 0是物体的静止质量，电子质量m 0=0.91093897×10-30kg ，而动量p 和能量E 的表达式为：（5） p mv ==E=mc 22 其中 （6）其中20m c 为物体静止时的能量，称为静止能量。
物体的动能E k = mc 2-20m c ，所以可以推导出动量与动能之间的关系：E k20m c （7）物体的动能也可以写成：（8） 当粒子在做低速运动时β<<1， （10）此时相对论的动量动能关系和牛顿力学的近似相同。
利用相对论验证实验仪进行β衰变研究
利用相对论验证实验仪进行β衰变研究张惠澍（复旦大学物理系上海）摘要(Abstract)利用相对论验证实验仪器得到放射源的β衰变能谱，对其能谱进行分析，并计算出放射源放出β粒子的最大能量。
关键词(Keywords)β衰变电子偏转β能谱放射源电子能量引言(Introduction)一个有初速度的电荷在垂直其速度方向的很大的均匀磁场中运动，就会发生偏转，从而进行圆周运动。
当粒子能量很大（与电子静能相比不可忽略）时，就需要用相对论来考虑电子运动规律。
通过闪烁探头和多道分析机，可以得到电子能量、动量与计数量的关系。
可以通过电子能量与动量的关系来验证相对论的正确性。
也可以用过电子能量与计数量之间的关系来验证放射源β衰变的规律以及计算出放射源进行β衰变的能级。
理论/实验部分 (Theory parts/Experimental details)1.相对论原理一个电荷为e的电子以速度v在垂直于速度方向且磁感应强度为B的均匀磁场中运动，其运动规律满足方程：⁄mv2R=eVB其中m为电子质量，R为电子运动轨道的曲率半径，将方程改写为：P=mV=eBR在经典力学中，动量与动能的关系为：⁄E=P22m在本实验中，大多数电子的速度很大接近光速，所以动量与动能满足相对论的关系：E=√P2c2+m02c4−m0c2其中m0为电子静质量，c为光速，本实验中测定β−粒子动量与动能关系应该满足图12．β衰变原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变叫做β衰变。
其中放出电子的衰变过程称为β-衰变；放出正电子的衰变过程称为β+衰变;原子核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子的衰变过程称为轨道电子俘获。
放射源放出的β粒子有三个规律：1) β粒子的能量是连续分布的2) β粒子的有最大能量值3) 放射源β衰变放出的β射线强度与能量分布满足图2的规律原子核在β衰变过程中，不仅放出一个β粒子，还放出一个不带电的中性粒子，它的质量小得几乎为零，所以叫做中微子，用符号γ表示，中微子能量大小是连续的，因此β粒子的能量也连续。
人教版高中物理选择性必修第三册课后习题 第5章 原子核 分层作业25 核力与结合能
分层作业25 核力与结合能A组必备知识基础练题组一核力与四种基本相互作用1.关于自然界中四种基本相互作用,下列说法正确的是( )A.核外电子与原子核间的万有引力和库仑力大小相当B.原子核内任意两个核子间都存在核力C.核力是强相互作用,一定是引力D.弱相互作用是短程力2.科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用。
我们知道分子之间存在相互作用的引力和斥力,那么分子间作用力实质上是属于( )A.引力相互作用B.电磁相互作用C.强相互作用和弱相互作用的共同作用D.四种基本相互作用的共同作用题组二对结合能和比结合能的理解3.(云南普洱高二期末)下列关于结合能和比结合能的说法正确的是( )A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大C.重核与中等质量的原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大D.中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大4.中子和质子结合成氘核的核反应中发生质量亏损,放出能量,核反应方程为01n+H+3.5×10-13 J,据此计算出12H原子核的平均结合能为( ) A.3.5×10-13 J B.1.75×10-13 JC.2.1×10-12 JD.4.2×10-12 J5.原子核的比结合能随质量数的变化图像如图所示,根据该曲线对核能的认识正确的是( )A.质量数越大,比结合能越大B.质量较小的轻核结合成质量较大的重核时要吸收能量;质量较大的重核分裂成质量较小的轻核时要放出能量C.质量较大的重核和质量较小的轻核比结合能都较小,但轻核的比结合能还有些起伏D.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的质量之和一定大于原来重核的质量题组三质量亏损核能的计算6.(多选)为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献,联合国将定为“国际物理年”。
对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法正确的是( )A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B.根据ΔE=Δmc2可以计算核反应中释放的核能C.一个中子和一个质子结合成氘核时释放出核能,表明此过程中出现了质量亏损D.E=mc2中的E是发生核反应时释放的核能7.(山西阳泉高二期末)我国高海拔宇宙射线观测站“拉索”首次完整记录迄今最亮“宇宙烟花”——伽马射线暴GRB221009A爆发全过程,并精确测量了迄今最亮伽马暴的高能辐射能谱,据此为检验相对论的适用范围提供了重要信息。
伽马射线在铅和钨-镍合金材料中吸收规律的研究
伽马射线在铅与钨-镍合金材料中吸收规律的研究作者姓名：专业班级：指导教师：摘要本文介绍了利用NaI(TI)闪烁谱仪研究137Cs和60Co等放射源辐射的伽马射线在钨镍合金与铅材料中吸收规律的变化情况。
通过对这二种材料测量结果的比对，得出钨镍合金对伽马射线的吸收远高于传统的屏蔽材料——铅，从而对辐射防护的材料选择上提出了新的见解。
关键词：钨镍合金铅吸收系数半吸收厚度The study on absorption law of γ-ray to tungsten-nickel and lead alloy materialsAbstract：This paper describes the use of NaI (Tl) scintillation spectrometer on 137Cs and 60Co, and other sources of γ-ray radiation on absorption law change in circumstances to the tungsten-nickel alloy materials and lead material. Through this two kinds material of comparison, tungsten-nickel alloy that theγ-ray absorption far higher than traditional shielding materials ---lead, So has put forward new ideason mterial selection to Radiation ProtectionKey words：tungsten-nickel alloy ;Lead material;absorption coefficient；half-absorption thickness目录摘要 (1)The study on absorption law of γ-ray to tungsten-nickel and lead alloy materials.. 1目录 (2)第1章前言 (3)1.1此文选题依据和研究意义 (3)1.2 全球研究发展现状 (3)1.3 研究任务和内容 (5)第2章伽马射线测量的理论知识 (6)2.1 伽马射线的基础知识与认识 (6)2.1.1 伽马射线的概念和性质 (6)2.1.2伽马射线与物质的相互作用 (7)2.2伽马射线的来源 (9)2.2.1 天然放射性 (9)2.2.2 人工放射性 (9)2.3 伽马射线的危害 (10)2.4 伽马射线的利用 (11)第3章仪器选择及测量原理 (13)3.1常用探测器介绍 (13)3.2阈压道宽的确定 (14)第4章实验设备 (18)4.1 实验装置原理图 (18)4.2 仪器原理介绍 (18)4.2.1HW-3204自动定标器 (18)4.2.2 NaI闪烁探测器探测原理 (19)4.3 实验材料介绍 (20)第5章实验及数据处理 (24)5.1实验相关内容 (24)5.2实验步骤 (24)5.3实验数据处理 (25)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附录 (33)第1章前言1.1此文选题依据和研究意义核技术应用已成为现代生活整体的一部分。
伽马射线能谱法
伽马射线能谱法是一种分析材料中放射性核素的方法，它利用伽马射线的特性来确定样品中放射性核素的种类和含量。
在伽马射线能谱法中，样品被置于一个探测器中，探测器能够检测到样品中发出的伽马射线。
这些射线的能量和位置可以通过探测器的计数率和位置分布来确定。
通过分析这些数据，可以确定样品中放射性核素的种类和含量。
伽马射线能谱法具有高灵敏度和高精度的特点，可以用于分析各种材料中的放射性核素，包括金属、矿石、岩石、土壤、水等。
它在环境监测、核安全、医学诊断等领域有着广泛的应用。
伽马射线穿过物质时能谱的变化
伽马射线穿过物质时能谱的变化γ射线穿过物质时，会通过光电、康普顿、电子对效应与物质相互作用。
本实验通过测量γ射线穿过不同厚度、不同材料时能谱的变化，加深理解γ射线束穿过物质时强度的变化，通过分析γ光子与物质相互作用方式，解释γ射线通过不同厚度、不同材料时能谱的变化。
同时也验证了铅砖作为γ射线的屏蔽材料，是安全可行的。
标签：137Cs；γ射线；不同物质；能谱变化1 概述原子核能级间的跃迁产生γ射线，γ射线按强度的分布即γ射线能谱，简称γ能谱。
测量γ能谱一般使用闪烁γ能谱仪，其利用闪烁体在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（成为闪烁）的现象测量能谱。
γ射线通过光电效应，康普顿散射，（电子对效应）三种方式与物质进行相互作用。
探测γ射线通过物质时能量谱的变化，可以深入了解γ射线与物质相互作用。
2 实验2.1 实验原理光电效应：光电效应是物质在高于某一特定频率的电磁照射下放出光电子的现象，当能量为hv的入射γ光子与物质的原子中束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射光电子的动能为：E=hv-Ei≈hv这是闪烁体探测器探测到的全能峰（光电峰）的来源。
2.2 实验仪器滨松闪烁体探测器；四川大学一体化能谱仪，137Cs放射源；若干铝片，铜片，铅片。
3 实验步骤3.1 仪器组装检查实验仪器的线路连接。
3.2 准直与调节将各个部分中心置于一条直线上，打开放射源屏蔽体开关，微调光电探测器的角度，直至计数率最高，即已准直。
固定设备开始测量。
3.3 测试与记录3.3.1 相同材料，不同厚度取同种材料薄片，多片叠加为不同厚度的等效屏蔽物质并进行测试。
3.3.2 相同厚度，不同材料考虑到实验室材料的实际情况，难以保证严格相同的厚度，因此使用上述测试结果中9mm左右和18mm左右两组数据直接进行对照。
3.3.3 无屏蔽测试取下所有屏蔽材料，令放射源直射探头，进行60s测试后记录数据。
相对论伽马
相对论伽马
相对论伽马是物理、天文学和航空空间科学领域最重要的理论，最先是由德国物理学
家阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出的。
他认为，物体之间的运动不具有客观性，而是
以一个物体为参照系，以相对速度来描述两个物体之间的运动关系。
这一理论可以用来解释物理学中的许多现象，例如，太阳和其他天体的运动，这是由
爱因斯坦本人提出的。
他认为，物体参照自身的运动，有时会看到别的物体的运动出现异
常像弯曲或停滞。
同时，他还建立了物理定律——质量＆能量的守恒定律，解释了物体的
不同运动的原因。
相对论伽马还可以用于探讨时间及空间的关系，以及解释天文学上的一些现象，如黑
洞与真空应用等等。
此外，相对论伽马也可以应用于宇宙物理学领域，如引力、引力场和
引力波。
在航空空间科学领域，相对论伽马也发挥重要作用。
伽马和洛伦兹之间关系有助于推
断风筝卫星运行时的运动状态，可以帮助人们更好地利用卫星发射和接收信号，进行全球
导航定位服务。
同时，它还可以用于预测某个时空的对撞机实验中发生的事件，还可以发
现一些创新的科学理论。
总之，相对论伽马是一个重要的物理理论，它的应用现已渗透于物理学、天文学和航
空空间科学各领域。
它不仅为物理学上许多现象提供了解释，而且还可以用于解释天文现象，以及宇宙物理学中的一些奇点。
航空空间科学上，也使用相对论伽马来分析飞行状态，同时也有一些实验在使用它来研究一些新的物理现象。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
伽马能谱与相对论验证
【摘要】
本实验先通过γ能谱对多道分析仪进行定标，再通过测量β-粒子动量的磁谱仪和测量β-粒子动能的能谱仪，记录多道分析仪所在峰值道数和探测器与源之间间距2R ，根据公式p=eBR 得到粒子动量。
再根据公式
2042
0220c m c m p c E E E k -+=-=得到粒子动能。
画出动量-动能关系图，并与
相对论理论值和经典理论值进行比对，对相对论进行验证。
【关键词】
β-粒子 多道分析仪 磁谱仪 能谱仪 相对论 【引言】
爱因斯坦狭义相对论揭示了高速运动物体的运动规律，创立了全新的时空观，给出了质量对速度的依赖关系，能量与质量的普遍联系等一系列重要结果。
本实验的目的是通过同时测量速度接近光速的β-粒子的动量和动能，证明牛顿力学只适合于低速运动物体，当物体的运动接近光速时，必须使用相对论力学，同时学习带电粒子特别是β-粒子与物质的相互作用，学习β磁谱仪和β闪烁仪的测量原理和使用以及其他核物理的实验方法。
【实验原理】 一、γ闪烁能谱
1、γ光子及其与物质的相互作用
通过核衰变或核反应形成的原子核，往往处于不稳定的高激发态。
处于高激发态能级上的原子核E2，在不改变原子核组成的情况下，跌回到较
低的激发态E1，原子核发出γ涉嫌或内转换电子。
因此γ射线的能量为 E γ=E2-E1。
放射性原子核放出的γ射线的能量通常在几千电子伏与几兆电子伏之间。
γ射线由不在店的γ光子组成，静止质量为零。
γ光子和物质相互作用主要有三种效应：光电效应、康普顿效应、电子对效应。
（1）光电效应
入射的γ光子把全部能量转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打
出来形成光电子，这就是光电效应
K i
E E E γ=- (1)
γ射线产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而增大，随着γ射线能量
增大而减小 （2）康普顿效应
入射的γ光子与院子的外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电
子，使它脱离院子成为反冲粒子，同时γ光子被散射，这种过程称为康普顿散射效应
'1(1cos )E E γ
γαθ=
+- （2-1）
2e E m c γ
α=
（2-2）
'
C E E E γγ=- （2-3）
（3）电子对效应
当γ光子的能量超过电子静止质量的两倍2
2e m c 即1.022MeV ，γ光子可能
转化为正负电子对，正电子的寿命很短。
产生正负电子对的几率随入射的γ射线的能量增大而增大，当
1.5E MeV
γ≤时，在NaI 闪烁晶体中产生正负电子
对的几率很小，可以略去
2、γ能谱图 （1）全能峰
一般是由光电效应和累积效应产生的，累积效应是指γ射线经康普顿散射后的γ光子再在闪烁体内产生光电效应。
在这两种过程中γ光子在闪烁晶体内失去全部能量，形成全能峰的能量对应γ光子的能量 （2）康普顿平台
康普顿散射中的散射光子逃逸到闪烁晶体中，γ光子在探测器内损失的能量是它交给反冲电子的能量，呈平台状 （3）反散射峰
γ光子散射后再进入闪烁晶体，产生光电效应形成的 二、β-粒子验证相对论动量-能量关系 1、牛顿力学动量与动能间关系 质量m0为一常量，以速度v 运动
动量
0p m v = (3-1)
动能 2
01
2K E m v = （3-2）
2、狭义相对论中动量与动能关系
在洛伦兹变换下，静止质量为m 0，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：
动量
p m v mv
=
-=012
β
（4-1） m m v c
=-=012/,/ββ
狭义相对论中，质能关系式E mc =2
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 0=m 0c 2称为静止能量；两者之差为物体的动能E k ，即
动能
E mc m c m c k =-=--2222
00111(
)
β
（4-2）
而动能与动量的关系为：
E E E c p m c m c k =-=+-02242020 （4-3）
这就是我们要验证的狭义相对论的动量与动能的关系。
高速电子的m 0c 2=0.511MeV 。
可化为：
E p c m c p c k ==⨯122051122
2220. （4-4）
图1经典/相对论情况下动量与能量的理想化关系
3、β能谱及其和物质的相互作用
β能谱是连续谱，具有固定的上限能量和固定的峰值。
β射线与物质相互作用有电离损失、轫致损失、弹性碰撞等。
由于电子的静止质量很小，其速度可以很大，可以达到比较理想的实验验证效果。
4、β-射线动量与动能的测量 （1）β粒子动量的测量
放射性核素β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β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。
实验中采用磁谱仪来测量β粒子的动量。
磁谱仪内的β粒子在磁场中受洛仑兹力用，其运动方程为
(5-1)
其中p 为β粒子动量，e 为电子电荷，v 为β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β粒子的运动方向，所以β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 (5-2)
此处 R 为β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β放射源的间距2R，由公式就可得到β粒子的动量
(2) β粒子动能的测量
本实验通过NaI（T1）闪烁探测器与微机多道组成的能谱仪测得。
β与NaI （T1）晶体相互作用，使晶体被激发，当晶体退激是会产生大量荧光光子，荧光光子被光电倍增管接受，并将光信号转变成电信号，因此光电倍增管输出的脉冲幅度与入射粒子的能量成正比。
将光电倍增管输出的电压脉冲送入微机多道。
它的道数n与输入脉冲的幅度V成正比，而脉冲幅度V又与入射粒子的动能成正比，故β粒子的动能与多道分析器的道数n成正比。
这样就可以得出E与n的定量关系
E=a+bn （6）
在实验中用60Co射线的0.662MeV的光电峰以及0.184MeV的反散射峰，137Cs射线的1.173MeV和1.332MeV的光电峰以及0.211MeV的反散射峰来标定比例系数b和零道所对应的能量a
【实验仪器】
实验装置主要由测量β-粒子动能的磁谱仪，测量β-粒子动能的能谱仪和放射源组成。
磁谱仪包括均匀磁场、真空盒及真空系统。
能谱仪包括测探器、高压电源、低压电源、线性放大器及微机多道仪
当β-粒子在能谱仪穿过Al窗后，能量Ei会有损失变为E0，必须修正【实验内容】
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60Coγ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
3、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300左右，稳定10～20分钟
4、正式开始对NaI(Tl)闪烁探测器进行能量定标，首先测量60Co的γ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
5、移开探测器，关上60Coγ定标源的盖子，然后打开137Csγ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
6、关上137Csγ定标源，盖上有机玻璃罩，打开β源的盖子开始测量快速电子的动量和动能
7、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
【数据处理】
1、确定a和b
图2 能量-道址关系图
2、根据仪器的能量刻度式及实验测得的不同半径的β-粒子的能量E ，并计
算相应的动量。
磁感应强度为B=0.074T ，光速为8
2.99710/C m s =⨯
粒子穿过Al 窗后将损失部分能量，必须进行修正，根据线性内插法进行拟合
图3 穿过Al 窗前后能量变化关系
通过上图可知Ei 与E0之间的关系：
2
000.02310.93660.1228i
E E E =++ (7)
【误差分析】
1、我们可以看到能量修正后，实验值与理论值有交叉，而根据理论推断，实验
值应该小于理论值。
误差的来源应该是能量修正时采用二次项拟合法不能够完全真正表示能量变化，造成误差
2、在测定β-能谱的峰位时，由于由于道址间最小间隔为1，不能找到准确的
峰值点，造成误差
3、本实验在空气中进行的，由于高速粒子在空气中会将空气电离，减小粒子的
平均自由程，造成误差
【实验总结】
本实验通过测定β-的动量-动能关系验证了狭义相对论的动量和动能关系，当物体的速度较大接近光速时，能量和动量成线性关系，牛顿经典力学不再适用，而必须应用相对论力学来解决问题。
【参考文献】
1、熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社
2、郭慧民、周会. β粒子验证相对论动量-能量关系实验中的一些问题. 北
京师范大学学报 2002年2月第一期。