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测量相对论速度电子的动能和动量关系

  1. 实验负责人:张高龙
  2. 小组成员:聂政

修改中的版本

  • 狭义相对论的产生背景与基本原理

经典力学总结了低速物体的运动规律,它反映了牛顿的绝对时空观,即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,即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陷入困境;实验证明对高速运动的物体伽利略变换是适用的,实验还证明在所有惯性参照系中,光在真空中传播的速度为一常数。
在这些实验研究和洛伦兹变换等理论研究的基础之上,爱因斯坦于1905年9月在德国《物理学杂志》上发表了《论动体的电动力学》一文,由此建立了狭义相对论,包括两条基本假设:狭义相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦通过分析球面光波在两个相对做匀速直线运动的惯性坐标系里的传播时,光波方程应具有相同的形式,从而推导出两个坐标系之间的变换关系,其形式为洛伦兹变换。
狭义相对论将牛顿力学作为低速运动理论的特殊情况包含在内,揭示了作为物质存在形式的空间和时间的本质上的统一性,深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性,进一步揭示了物质和运动的统一性,并为原子能的利用奠定了基础。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应(相对论效应),如时间膨胀 、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。 狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一:一切微观物理理论(如基本粒子理论)和宏观引力理论(如广义相对论)都满足狭义相对论的要求。这些相对论性的动力学理论已经被许多实验所证实。
相对论是本世纪物理学的最伟大的成就之一,它标志着物理学的重大发展,使一些物理学的基本概念发生了深刻的变革。狭义相对论提出了新的时空观,揭示了高速运动物体的力学规律,揭露了质量和能量的内在联系,成为了近代物理学的两大支柱之一。

  • 爱因斯坦的科学精神

爱因斯坦是当代最伟大的物理学家。他所创立的相对论和所揭示的辐射的粒子性,随后被发展到微观客体的波粒二象性,奠定了现代物理学的理论基础,对唯物论哲学的发展也具有重大意义。他同时又是一位富有哲学探索精神和强烈社会责任感的思想家。爱因斯坦指出,应坚持世界在本质上是有秩序的和可认识的信念,并以此作为科学工作的基础。面对由伽利略和牛顿建立的古典物理学理论体系无法解释的新实验现象时,爱因斯坦不为旧理论框架所束缚,对时间和空间这些基本概念进行了根本性的突破,开辟了物理学的新纪元。

(1)实验原理讲解(课堂讲授与教学视频观看等):
物体动能和动量的经典和相对论关系,着重说明本实验如何同时得到快速电子的动能和动量(用磁分离的方法求出动量,经过定标的闪烁探测器求出动能)。

(2)实验仪器介绍:
β磁谱仪测量原理和闪烁记数器的使用方法,以及测量软件的使用方法等。

(3)实验安全教育。

(4)实验测量:验证快速电子的动量和动能之间的相对论关系。
对NaI(Tl)闪烁探测器进行能量定标:测量60Co的γ能谱中1.33MeV光电峰,以及137Cs的γ能谱中1.17和1.33MeV两个光电峰在多道能谱分析器上对应的道数。采用最小二乘法进行拟合,获得道数与能量的线性关系。 测量快速电子的动量和动能:选定探测器位置后开始逐个测量β源发出的单能电子能峰,记下峰位道数CH和相应的位置坐标X;根据道数与能量的线性关系计算快速电子的动能;根据位置坐标和磁感应强度等计算快速电子的动量。

(5)处理实验数据,验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。

分析和修正实验结果中电子穿过NaI(Tl)闪烁探测器的铝膜和真空室的塑料薄膜时造成的能量损失。

NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪特性研究实验

  1. 核衰变的统计规律
  2. γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
  3. 单能电子物质阻止本领和半吸收厚度的测定

阅读实验教材和仪器说明书等资料,观看实验教学视频,也可以选择通过虚拟实验等方式进行实验预习。
学习放射性实验的安全知识和规章制度。
实验中,要求学生掌握实验原理和方法,正确使用实验仪器,完成操作和测量,培养学生动手实践能力。
分析实验结果,比较理论模型与实验结果,进行误差处理,获得实验结论。

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系。
同时实验者将从中学习到β磁谱仪测量原理、闪烁记数器的使用方法及相关实验数据处理的思想方法。

理论力学、核物理学等

  1. 测量不同压强下空气对电子的能量吸收系数
  2. 证明质点运动理论的考夫曼实验

讨论区

该实验可以扩展很多方面的核物理实验
1、测量beta射线能谱
2、原子核beta衰变能级自旋和宇称研究
3、伽玛射线吸收测量
4、不同能量beta射线穿过铝膜能损研究
详见已发表的论文,如下:
1. 裴朝,张高龙,孟显奎,伽马射线吸收系数测量方法的研究, 《大学物理实验》,Vol23(4)(2010) 20.
2. 王凤,喻晓,张高龙,屈卫卫,β射线在铝膜中的吸收研究,《大学物理实验》,Vol26(3) (2013) 6.
3. 张高龙,张亚星等,利用磁谱仪研究原子核的β衰变,《大学物理》,Vol29(6)(2010)37.
4. 郭晨雷,张高龙,钱建强,利用磁谱仪测量90Sr-90Y放射源的β衰变能谱,《物理与工程》,Vol21(5) (2011)10.
5. 任赞,王选,张高龙等,通过测量137Cs 的β衰变和内转换电子能谱研究其衰变特性,《大学物理》,Vol 36 (2) (2017) 61.
6. 基于β衰变能谱测量探索确定137Cs衰变分支比的方法,李冉,张泽涛,秦雨浩,任 赞,张高龙,《物理与工程》, Vol.29 (1) (2019) 26.
7. Xue-Dou Su, Gao-Long Zhang, Study on the attenuation coefficient of gamma and X rays into the materials, Nuclear Science and Techniques 31 (2020) 3.
可否添加“已发表的论文”的引文信息。 — 乐永康 2020/01/31 14:33
乐老师,添加“已发表的论文”见上。谢谢您的支持。
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  • 最后更改: 2020/02/11 10:20
  • 由 fangkai