相对论验证试验系统误差研究-复旦大学物理教学试验中心Fudan.DOC

相对论验证实验系统误差研究 07300190076 郑力 Abstract This experiment is designed for demonstrating the theory of relativity by the verify that the relation between the momentum and kinetic energy of high speed electrons obeys the conclusion derived from the theory of relativity. The result has a slight but obvious deviation. This article gives two hypothesis to explain this phenomenon and argued the rationality of them. Key words theory of relativity; explain the deviation; thought experiment; beta ray 引言 相对论验证实验采用磁偏转的原理分析高速电子动量，随后用闪烁体探头测量从个位置离开磁场的电子的能量；用较高能量下的动能-动量关系验证相对论。实验结果与相对论理论存在百分之几的偏离，本文对这种偏离的成因做出了一个解释。 实验装置与原理：当电子在均匀磁场中运动时，其运动方式满足以下方程[1]： 其中B为磁感应强度，e为电子电荷。 电子运动的曲率半径r=BeP。理想状态下粒子运动的曲率半径也就是整个圆弧的半径。 射线进入物质后与原子碰撞使之发生电离，电离放出的电子碰撞更多原子最终产生大量激发态的原子，这些原子跃迁回到基态时放出光子形成闪光。[1]文献对闪光的机理解释说明闪光的能量最终完全是由引起闪光的射线粒子提供的，因此闪光的强度与粒子能量成比例。 相对论验证实验的仪器由β粒子磁谱仪，NaI（Tl）单晶闪烁体探头及电子仪器三部分构成（Fig.1）。 β粒子磁谱仪一个真空盒，盒内有永磁体产生近似匀场。真空盒的一边有一列供β粒子通过的孔，使用塑料薄膜密封。另一边连接机械泵。 NaI（Tl）单晶闪烁体探头是由射线粒子碰撞使晶体中的电子使用反射面和光导将闪光引到光电倍增管，转化为电脉冲后输出。这个信号的高度与引发闪光的粒子能量具有良好的线性关系。在探测γ射线时可以正常工作，但为了防止单晶与空气接触而发生潮解，在晶体正面覆盖有一层铝膜。会使探头在探测β粒子时测到的能量偏小。 电子系统是线性放大器，多道和计算机，将探头输出的电信号按照高度等间距分类并在相应的存储器计数。存储器的地址编号称为道址。计数达到一定规模后，道址-道址计数图像就可以作为能谱。 电子在离开源到进入闪烁体探头的运动过程，可以分成六段：1.源到真空盒外；2.穿过塑料密封膜；3.真空盒内的运动；4.穿过塑料密封膜；5.真空盒外到闪烁体探头；6.穿过探头表面的铝膜。在本实验中，不必考虑电子离开源时的能量，而是考虑电子进入磁场时的能量。因此、电子从源到真空盒外再穿过塑料密封膜的能量损耗发生在需要考虑的过程之前。可以将它和源一起视为一个产生连续谱β离子束的源。真空盒内抽成低真空，事实上存在一些空气。这些空气带来的阻力会改变电子在磁场中的轨迹，对结果的影响比较复杂。电子离开磁场后经过的塑料膜和铝膜带来的能量损失可以用线性插值法查表进行修正。 实验方法与结果 实验用到的放射源有三种：60Co，137Cs，90Sr。其中60Co，137Cs的衰变图示见Fig.2。 首先用60Co和137Cs源直接照射探头进行定标，由于定标用的峰都是γ射线峰，在测量β射线的能量时要进行修正。定标得到的峰道址和对应的能量如下表： 道址 76.6 276.9 496.5 569.3 能量/MeV 0.184 0.662 1.17 1.33 在此探头前加上狭缝探测从真空盒边缘各位置射出的β射线，记下谱峰的道址和探测到此谱峰的位置。将定标数据和道址-位置数据直接输入计算机自带的数据处理软件，在软件提供的磁场近似模式中，等效磁场近似得到的偏差最小。（Fig.3，4）几种模式的结果中，得到的数据点都在理论显得上方，且相对偏差DPC逐项增大。即同一动量下，测到的能量大于理论值。可以看到，虽然存在偏差，实验得到的曲线仍然基本符合相对论，而不是经典理论。实验用软件已经对能量数据进行过修正。 数据偏差的讨论 对于实验曲线的偏差有可以有两种解释。 一是放射源放置不够准确，使得入射电子的主径迹方向并不垂直于磁场方向。这样粒子径迹圆被磁场边缘割出的弦就不是圆的直径而是要小一些。使粒子入射方向偏离角度θ，主径迹直径D,离开磁场位置x。从简单的几何关系可以知道：