20世纪初。物理学基本观念经历了三次影响深远的革命；作为这三次革命的标志和成果,就是狭义相对论,广义相对论和量子力学的建立.物理科学中有两个十分重要的实验发现一直困扰着人们。一个是1887年由迈克尔逊和莫雷所做的光速实验和另一个是所谓的黑体辐射。 狭义相对论改变关于时间和空间的观念：从牛顿的绝对对时空观念而成为四维时空观，这就是爱因斯坦于1905年提出他的相对性原理和光速不变原理。狭义相对论时空观念。爱因斯坦狭义相对论已为大量的实验所证实，并应用于近代物理的各个领域。狭义相对论是设计所有粒子加速器的基础。

本实验通过同时测量速度接近光速C的高速电子( 粒子)的动量和动能来证明狭义相对论的正确性。能量为1MeV 粒子速度为0.94C. 实验所用 粒子的能量在0.4～2.27MeV范围。其速度非常接近光速C。所以能验证动质能的相对论关系。学习磁谱仪的测量原理及其他核物理的实验方法和技术。γ射线是原子核衰变或裂变时放出的辐射，本质上它是一种能量比可见光和X射线高得多的电磁辐射。利用γ射线和物质相互作用的规律，人们设计和制造了多种类型的射线探测器。闪烁探测器即是其中之一。它是利用某些物质在射线作用下发光的特性来探测射线的仪器，既能测量射线的强度，也能测量射线的能量，在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。本实验介绍一种常用的γ射线测量仪器：碘化钠单晶γ射线探测仪及 粒子的动量和动能相对论效应。

【实验目的】
　　1、了解闪烁探测器的结构、原理。
　　2、掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。
　　3、测量快速电子的动能和动量。
　　4、验证快速电子的动量与动能的关系符合相对论效应。

归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：
　　1） 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；
　　2） 受激原子、分子退激时发射荧光光子；
　　3)利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；
　　4) 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号；
　　5) 此信号由电子仪器记录和分析。
　　通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137CS的0.661MeV单能γ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。
　　探测器的线性问题：
　　能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。
　　NaI(Tl)单晶的荧光输出在150KeV<EΥ<6MeV的范围内和射线能量是成正比的。但是NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的线性好坏还取决于闪烁谱仪的工作状况。
　　单道是逐点改变甄别电压进行计数，测量不太方便而且费时，因而在本实验装置中采用了多道脉冲分析器。多道脉冲分析器的作用相当于数百个单道分析器与定标器，它主要由0~10V的A/D转换器和存储器组成，脉冲经过A/D转换器后即按高度大小转换成与脉高成正比的数字输出，因此可以同时对不同幅度的脉冲进行计数，一次测量可得到整个能谱曲线，既可靠方便又省时。
　　由于单能γ射线所产生的这三种次级电子能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能γ射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。

NaI(Tl)谱仪测得的137Cs的γ能谱
　　如下页图所示，测得的γ能谱有三个峰和一个平台。最右边的峰A称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映γ射线的能量即0.661MeV；上面已经分析过，这个峰中包含光电效应及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对0.661MeV的γ射线能量分辨率为7.5%。
　　平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到 的连续的电子谱。
　　峰C是反散射峰。由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。
　　峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的。137Cs的衰变体137Ba的0.661MeV激发态在放出内转换电子后造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。

【实验内容】
　　1.NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。
　　2.137Cs、60Co的γ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.多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。
　　4.处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。
　　5. 测量快速电子的动量。
　　6. 测量快速电子的动能。
　　7. 验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。

【实验装置】
　　实验器材包括：①γ放射源137Cs和60Co(强度≈1.5微居里)；②200mAl窗NaI(Tl)闪烁探头；③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。

【实验步骤及数据处理】
　　请详见实验室说明书。
　　谱仪的稳定性在本实验中是很重要的，谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，如高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137Cs的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。
　　β粒子动能的测量
　　粒子与物质相互作用是一个很复杂的问题，如何对其损失的能量进行必要的修正十分重要。
　　①粒子在Al膜中的能量损失修正
　　在计算粒子动能时还需要对粒子穿过Al膜(220m：200m为NaI(Tl)晶体的铝膜密封层厚度，20m为反射层的铝膜厚度)时的动能予以修正，计算方法如下。
　　设粒子在Al膜中穿越x的动能损失为E，则：
　　(5—14)
　　其中 ( )是Al对粒子的能量吸收系数，(是Al的密度)， 是关于E的函数，不同E情况下 的取值可以通过计算得到。可设 ，则E=K(E)x；取x0，则粒子穿过整个Al膜的能量损失为：
　　(5—15)；即 (5—16)
　　其中d为薄膜的厚度，E2为出射后的动能，E1为入射前的动能。由于实验探测到的是经Al膜衰减后的动能，所以经公式(4—9)可计算出修正后的动能(即入射前的动能)。下表列出了根据本计算程序求出的入射动能E1和出射动能E2之间的对应关系：
　　E1(MeV) E2(MeV) E1(MeV) E2(MeV) E1(MeV) E2(MeV)
　　0.317 0.200 0.887 0.800 1.489 1.400
　　0.360 0.250 0.937 0.850 1.536 1.450
　　0.404 0.300 0.988 0.900 1.583 1.500
　　0.451 0.350 1.039 0.950 1.638 1.550
　　0.497 0.400 1.090 1.000 1.685 1.600
　　0.545 0.450 1.137 1.050 1.740 1.650
　　0.595 0.500 1.184 1.100 1.787 1.700
　　0.640 0.550 1.239 1.150 1.834 1.750
　　0.690 0.600 1.286 1.200 1.889 1.800
　　0.740 0.650 1.333 1.250 1.936 1.850
　　0.790 0.700 1.388 1.300 1.991 1.900
　　0.840 0.750 1.435 1.350 2.038 1.950
　　②粒子在有机塑料薄膜中的能量损失修正
　　此外，实验表明封装真空室的有机塑料薄膜对 粒子存在一定的能量吸收，尤其对小于0.4MeV的粒子吸收近0.02MeV。由于塑料薄膜的厚度及物质组分难以测量，可采用实验的方法进行修正。实验测量了不同能量下入射动能Ek和出射动能E0(单位均为MeV)的关系，采用分段插值的方法进行计算。具体数据见下表：
　　Ek(MeV) 0.382 0.581 0.777 0.973 1.173 1.367 1.567 1.752
　　E0(MeV) 0.365 0.571 0.770 0.966 1.166 1.360 1.557 1.747

【讨论、心得】
　　相对论对于我们来说可能是一个遥不可及的东西，本来我认为只可以理论研究，没想到一个普通人就可以对这个人类历史上最重要的发现作出验证，真的是很让人激动。虽然放射源对身体有一定伤害，但是我信任科学的防护措施，同样我也有为科学献身的精神。

发帖者：116022428
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