實驗二十七相對論效應(yīng)驗證

1、實驗二十七 相對論效應(yīng)驗證20世紀(jì)初。物理學(xué)基本觀念經(jīng)歷了三次影響深遠(yuǎn)的革命；作為這三次革命的標(biāo)志和成果,就是狹義相對論,廣義相對論和量子力學(xué)的建立.物理科學(xué)中有兩個十分重要的實驗發(fā)現(xiàn)一直困擾著人們。一個是1887年由邁克爾遜和莫雷所做的光速實驗和另一個是所謂的黑體輻射。 狹義相對論改變關(guān)于時間和空間的觀念：從牛頓的絕對對時空觀念而成為四維時空觀，這就是愛因斯坦于1905年提出他的相對性原理和光速不變原理。狹義相對論時空觀念。愛因斯坦狹義相對論已為大量的實驗所證實，并應(yīng)用于近代物理的各個領(lǐng)域。狹義相對論是設(shè)計所有粒子加速器的基礎(chǔ)。本實驗通過同時測量速度接近光速C的高速電子(粒子)的動量和動能來

2、證明狹義相對論的正確性。能量為1MeV 粒子速度為0.94C. 實驗所用粒子的能量在0.42.27MeV范圍。其速度非常接近光速C。所以能驗證動質(zhì)能的相對論關(guān)系。學(xué)習(xí)磁譜儀的測量原理及其他核物理的實驗方法和技術(shù)。射線是原子核衰變或裂變時放出的輻射，本質(zhì)上它是一種能量比可見光和X射線高得多的電磁輻射。利用射線和物質(zhì)相互作用的規(guī)律，人們設(shè)計和制造了多種類型的射線探測器。閃爍探測器即是其中之一。它是利用某些物質(zhì)在射線作用下發(fā)光的特性來探測射線的儀器，既能測量射線的強(qiáng)度，也能測量射線的能量，在核物理研究和放射性同位素測量中得到廣泛的應(yīng)用。本實驗介紹一種常用的射線測量儀器：碘化鈉單晶射線探測儀及粒子的動

3、量和動能相對論效應(yīng)?！緦嶒?zāi)康摹?、了解閃爍探測器的結(jié)構(gòu)、原理。2、掌握NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的幾個性能指標(biāo)和測試方法。3、測量快速電子的動能和動量。4、驗證快速電子的動量與動能的關(guān)系符合相對論效應(yīng)?！緦嶒炘怼亢溯椛渑c某些物質(zhì)相互作用會使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，閃爍探測器就是利用這一特性來工作的。下圖是閃爍探測器組成的示意圖。閃爍探測器有閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個主要部分組成。上圖中探測器最前端是一個對射線靈敏并能產(chǎn)生閃爍光的閃爍體，當(dāng)射線(如、b)進(jìn)入閃爍體時，在某一地點產(chǎn)生次級電子，它使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子(一般光譜范圍從可見光到紫外光，并且光子向四面

4、八方發(fā)射出去)。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去。所謂射線的能譜，是指各種不同能量粒子的相對強(qiáng)度分布；把它畫到以能量E為橫坐標(biāo)，單位時間內(nèi)測到的射線粒子數(shù)為縱坐標(biāo)的圖上是一條曲線。根據(jù)這條曲線，我們可以清楚地看到此種射線中各種能量的粒子所占的百分比。在單道中還有一個窗寬DV，使幅度大于V0+DV的脈沖亦被擋住，只讓幅度為的信號通過，單道脈沖分析器的功能是把線性脈沖放大器的輸出脈沖按高度分類：若線性脈沖放大器的輸出是010V，如果把它按脈沖高度分成500級，或稱為500道，則每道寬度為0.02V，也就是輸出脈沖的高度按0.02V的級差來分類。逐點增加V0，這樣就可以測出

5、整個譜形。射線與物質(zhì)相互作用時可能產(chǎn)生三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，這三種效應(yīng)產(chǎn)生的次級電子在NaI(Tl)晶體中產(chǎn)生閃爍發(fā)光；如光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對效應(yīng) 圖1 g射線在NaI(Tl)閃爍體中相互作用的基本過程表1 射線在NaI(Tl)閃爍體中相互作用的基本過程基本過程次級電子獲得的能量T1） 光電效應(yīng)+原子原子激發(fā)或離子激發(fā)+電子（該層電子結(jié)合能）2） 康普頓效應(yīng)+電子(散射)+反沖電子按，；q為散射角，從0至最大能量連續(xù)分布，峰值在最大能量處。3） 電子對產(chǎn)生+原子原子+電子對均分能量核輻射與某些物質(zhì)相互作用會使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，閃爍探測器就是利用這一特性來工作

6、的。下圖是閃爍探測器組成的示意圖。閃爍探測器有閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的歸結(jié)起來，閃爍探測器的工作可分為五個相互聯(lián)系的過程：圖2 NaI(Tl)閃爍探測器的示意圖1） 射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子電離和激發(fā)；2） 受激原子、分子退激時發(fā)射熒光光子；3)利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子；4) 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到104109個，電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號；5) 此信號由電子儀器記錄和分析。 通常NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的能量分辨率以137CS的0.661MeV

7、單能射線為標(biāo)準(zhǔn)，它的值一般是10%左右，最好可達(dá)67%。探測器的線性問題：能量的線性就是指輸出的脈沖幅度與帶電粒子的能量是否有線性關(guān)系，以及線性范圍的大小。NaI(Tl)單晶的熒光輸出在150KeV<E<6MeV的范圍內(nèi)和射線能量是成正比的。但是NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的線性好壞還取決于閃爍譜儀的工作狀況。圖3探測器線性單道是逐點改變甄別電壓進(jìn)行計數(shù)，測量不太方便而且費時，因而在本實驗裝置中采用了多道脈沖分析器。多道脈沖分析器的作用相當(dāng)于數(shù)百個單道分析器與定標(biāo)器，它主要由010V的A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器組成，脈沖經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后即按高度大小轉(zhuǎn)換成與脈高成正比的數(shù)字輸出，因此可以同

8、時對不同幅度的脈沖進(jìn)行計數(shù)，一次測量可得到整個能譜曲線，既可靠方便又省時。 由于單能射線所產(chǎn)生的這三種次級電子能量各不相同，甚至對康普頓效應(yīng)是連續(xù)的，因此相應(yīng)一種單能射線，閃爍探頭輸出的脈沖幅度譜也是連續(xù)的。NaI(Tl)譜儀測得的137Cs的能譜圖4 如下頁圖所示，測得的能譜有三個峰和一個平臺。最右邊的峰A稱為全能峰，這一脈沖幅度直接反映射線的能量即0.661MeV；上面已經(jīng)分析過，這個峰中包含光電效應(yīng)及多次效應(yīng)的貢獻(xiàn)，本實驗裝置的閃爍探測器對0.661MeV的射線能量分辨率為7.5%。平臺狀曲線B是康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)，其特征是散射光子逃逸后留下一個能量從0到的連續(xù)的電子譜。峰C是反散射峰。由

9、射線透過閃爍體射在光電倍增管的光陰極上發(fā)生康普頓反散射或射線在源及周圍物質(zhì)上發(fā)生康普頓反散射，而反散射光子進(jìn)入閃爍體通過光電效應(yīng)而被記錄所致。這就構(gòu)成反散射峰。 峰D是X射線峰，它是由137Ba的K層特征X射線貢獻(xiàn)的。137Cs的b衰變體137Ba的0.661MeV激發(fā)態(tài)在放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后造成K空位，外層電子躍遷后產(chǎn)生此X光子?！緦嶒瀮?nèi)容】1.NaI(Tl)單晶閃爍譜儀整套裝置的操作、調(diào)整和使用，調(diào)試一臺譜儀至正常工作狀態(tài)。2.137Cs、60Co的能譜，求出能量分辨率、峰康比、線性等各項指標(biāo)，并分析譜形。3.多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能。4.處理（包括

10、對譜形進(jìn)行光滑、尋峰，曲線擬合等）。5. 測量快速電子的動量。6. 測量快速電子的動能。7. 驗證快速電子的動量與動能之間的關(guān)系符合相對論效應(yīng)。【實驗裝置】實驗器材包括：放射源137Cs和60Co(強(qiáng)度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器?！緦嶒灢襟E及數(shù)據(jù)處理】請詳見實驗室說明書。譜儀的穩(wěn)定性在本實驗中是很重要的，譜儀的能量分辨率，線性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關(guān)。因此在測量過程中，要求譜儀始終能正常的工作，如高壓電源，放大器的放大倍數(shù)，和單道脈沖分析器的甑別閾和道寬。如果譜儀不穩(wěn)定則會使光電峰的位置變化或峰形畸變。在測量過程中經(jīng)常要對1

11、37Cs的峰位，以驗證測量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電子儀器隨溫度變化的影響，在測量前儀器必須預(yù)熱半小時。粒子動能的測量b粒子與物質(zhì)相互作用是一個很復(fù)雜的問題，如何對其損失的能量進(jìn)行必要的修正十分重要。b粒子在Al膜中的能量損失修正 在計算b粒子動能時還需要對粒子穿過Al膜(220mm：200mm為NaI(Tl)晶體的鋁膜密封層厚度，20mm為反射層的鋁膜厚度)時的動能予以修正，計算方法如下。 設(shè)b-粒子在Al膜中穿越Dx的動能損失為DE，則： (514)其中()是Al對b-粒子的能量吸收系數(shù)，(r是Al的密度)，是關(guān)于E的函數(shù)，不同E情況下的取值可以通過計算得到?？稍O(shè)，則DE=K(E)Dx；取Dx

12、®0，則b-粒子穿過整個Al膜的能量損失為： (515)；即 (516)其中d為薄膜的厚度，E2為出射后的動能，E1為入射前的動能。由于實驗探測到的是經(jīng)Al膜衰減后的動能，所以經(jīng)公式(49)可計算出修正后的動能(即入射前的動能)。下表列出了根據(jù)本計算程序求出的入射動能E1和出射動能E2之間的對應(yīng)關(guān)系：E1(MeV)E2(MeV)E1(MeV)E2(MeV)E1(MeV)E2(MeV)0.3170.2000.8870.8001.4891.4000.3600.2500.9370.8501.5361.4500.4040.3000.9880.9001.5831.5000.4510.3501.

13、0390.9501.6381.5500.4970.4001.0901.0001.6851.6000.5450.4501.1371.0501.7401.6500.5950.5001.1841.1001.7871.7000.6400.5501.2391.1501.8341.7500.6900.6001.2861.2001.8891.8000.7400.6501.3331.2501.9361.8500.7900.7001.3881.3001.9911.9000.8400.7501.4351.3502.0381.950b粒子在有機(jī)塑料薄膜中的能量損失修正此外，實驗表明封裝真空室的有機(jī)塑料薄膜對粒子存在

14、一定的能量吸收，尤其對小于0.4MeV的b粒子吸收近0.02MeV。由于塑料薄膜的厚度及物質(zhì)組分難以測量，可采用實驗的方法進(jìn)行修正。實驗測量了不同能量下入射動能Ek和出射動能E0(單位均為MeV)的關(guān)系，采用分段插值的方法進(jìn)行計算。具體數(shù)據(jù)見下表：Ek(MeV)0.3820.5810.7770.9731.1731.3671.5671.752E0(MeV)0.3650.5710.7700.9661.1661.3601.5571.747【思考題】1、簡單描述NaI(Tl)閃爍探測器的工作原理。2、散射峰是如何形成的？3、只有137Cs源，能否對閃爍探測器進(jìn)行大致的能量刻度？4、Na(Tl)單晶閃爍譜儀的能量分辨率定義是什么？如何測量？能量分辨率與哪些量有關(guān)？能量分辨率的好壞有何意義？5、為什么要測量Na(Tl)單晶閃爍譜儀的線性？譜儀線性主要與哪些量有關(guān)？線性指標(biāo)有何意義？6、觀察狹縫的定位方式，試從半圓聚焦磁譜儀的成象原理來論證其合理性。7、本實驗在尋求P與DX的關(guān)系時使用了一定的近似，能否用其他方法更為確切地得出P與DX的關(guān)系？8、用放射源進(jìn)行能量定標(biāo)時，為什么不需要對