1、- 1 -量 热 学 法 验 证 质 速 关 系 实 验季 灏上海东方电磁波研究所 202150 上海摘要 作者根据 1964 年贝托齐实验1利用束流强 1.26A 能量1.6Mev、6Mev、8Mev、10Mev、12Mev、15Mev 高速 电子轰击铅靶，用量热学法直接测定电子能量。从而直接证明电子的质量与电子运动速度的关系。关键词：量热学 电磁偏转 质速关系1 引言关于电子质速关系的实验，历史上已有很多科学家用各种不同的方法进行验证，其中最多和最成功的是用电磁偏转的方法28 。但这类实验都必须假定作用于带电粒子上的电场或磁场在其运动方向上所受的力（理论值）不依赖于带电粒子的运动速度的。然
2、而提供这方面经验的是大大低于光速的情况下进行的。现在这个假设对高速运动的电子是否适用，很多科学家持疑问态度。作者带着这个疑问在复旦大学近代物理实验中心大力支持下，作了大胆尝试。发现这个假设存在问题，撰文“电子洛伦兹力和能量测量的实验” ，刊登在中国工程科学9。为进一步搞清运动物体质量和速度的关系。作者设计本实验，其实本实验并不是作者独创，仅根据 1964 年贝托齐做的实验，适当加以改进，由于时代变了，实验比原先简便多了。但是该实验避免电磁相互作用，提供十分简单而直接的数据可以验证相对论的质速关系。作者认真分析研究贝托齐的实验，发现对该实验的宣传存在一定的问题。该实验在测量速度极限时用了 0.5
3、Mev、1.0Mev 、 1.5Mev、4.5Mev、15Mev 五种能量的电子，而在实验报告中测量能量时仅用了 1.5Mev 和 4.5Mev 两种能量的电子，既然当时有 15Mev 能量的电子，为何在测量能量时没有用？而且即使在 1.5Mev 和 4.5Mev 能量测量中也没有讲到间隔的时间，就是说 1.5Mev 电子打到铝盘的热量是否完全散失以后4.5Mev 电子才打上去。据此作者认为该实验证明质速关系并不是十分成功的实验。但是该实验作者认为是一个没有任何假设的、直接的、简单的，目前条件下可行的实验。因此，作者设计本实验、利用直线加速器产生的能量为1.6Mev、6Mev、8Mev、10M
4、ev、12Mev、15Mev 高速电子在束流引出线上轰击铅靶，参照1964 年贝托齐实验的方法，用量热学法直接测量电子的能量。让实验结果证明电子质量与电子速度没有关系。2 能量测量2.1 设计思想根据 1964 年贝托齐实验的方法，并参照低能电子在介质中的射程10，作者设计的实- 2 -验中使用铅园台体的上底直径为 2cm，下底直径为 2.9cm，高为 1.3cm。足够让入射粒子的95%能量沉积在台体中。作者作了附加测试能量穿透率为 2%。2.2 实验方法实验装置如图 1。图 1本实验利用直线加速器束流输出，能量和束流强度由仪表控制，实验中流强为1.26A，能量分别为 15Mev、12Mev、
5、10Mev 、8Mev、6Mev，1.6Mev 六个能量段，脉冲宽为 5ns，频率为 5Hz，电子束轰击铅靶 120s，这样靶接收到电荷总量为 3.7810-6（库） ，接收到电子总数为 2.361013（个） ，根据相对论 15Mev 每个电子的能量相当 151.610-610-7 焦耳，则实验中 2.361013（个）电子的总能量为：Ek=151.610-610-72.361013=56.64 焦耳同样道理 12Mev、10Mev、8Mev、6Mev ，1.6Mev 相当的能量分别为 45.31 焦耳、37.76 焦耳、33.98 焦耳、22.66 焦耳、6.00 焦耳。实验中使用的铅台体
6、重 70 克，温度每升高 1，需要的能量为 0.031704.18=9.0 焦耳。实验中用 CENTER305 热电偶测温仪自动测量并记录温度，分辨率为 0.1，误差为0.1，对验证相对论精度是足够的。能量和温度的理论值和实验值如表 1 所示：能量温度 1.6Mev 6Mev 8Mev 10Mev 12Mev 15Mev理论值 0.67 2.52 3.36 4.20 5.03 6.29实测值 0.97 1.0 1.03 1.03 1.03 1.03表 1 能量和温度的理论值和实验值由于实验中使用的不是中性粒子，而是电子，它不但具有动能，而且入射到铅台体后还具有电能，电能放电损失以后转变成热能，
7、如果把铅台体近似看作 0.008m 的孤立金属球导电体，这样总电能为 ，由于电能引起铅台体的升温为 0.89，如果jRQw8120扣除这个温度，这样我们得到的能量和温度的理论值和实验值如表 2。- 3 -能量温度 1.6Mev 6Mev 8Mev 10Mev 12Mev 15Mev理论值 0.67 2.52 3.36 4.20 5.03 6.29实测值 0.08 0.11 0.14 0.14 0.14 0.14表 2 能量和温度的理论值和实验根据牛顿理论，实验中电子都接近光速，每个电子的能量。束流总能量相当 0.2551.610-610-72.361013=1.00MevmcvEk25.012
8、焦耳，使铅台体温度升高 0.11。这样能量和温度的关系如图 2 中曲线所示。根据贝托齐实验的做法、动能的理论值（加速器显示）和实验值得到能量速度关系表3。表 3 能量速度关系Ek(Mev)相对论值Ek(Mev)实测值Ek/mec2相对论值2Ek/mec2实测值 v/c v2/c21.6 0.190 3.13 0.75 0.970 0.9426 0.255 11.76 1.00 0.997 0.9948 0.320 15.68 1.25 0.998 0.99610 0.320 19.60 1.25 0.999 0.99812 0.320 23.52 1.25 0.999 0.99815 0.32
9、0 29.41 1.25 0.999 0.9996543212 4 6 8 10 12 14 16 相对论理论值实验值 牛顿理论值Mev 0图 2 能量和温度关系曲线- 4 -根据贝托齐实验的做法，以 v2/c2 作为纵坐标，以 Ek/mec2 作为横坐标，得到能量速度关系曲线如图 3。3 结论通过实验，对相对论预言的质速关系方程提出质疑，并用实验数据证明 1964 年贝托齐实验的数据明显存在问题。实验用量热学法对电子能量的直接数据，表明实验的结果并不如相对论的预言。实验的结果告诉我们，6Mev 电子和 15Mev 电子的动能几乎是一样的，实验结果跟牛顿理论值十分接近，实验证明物体质量跟速度没
10、有关系。参考文献：1W.Bertozzi,Am.J.Phys.32.551(1964)2W.Kaufmann.Nachr.Ges.Wiss.Gottingen.Math-Nat.Kl,143（1901）3M.M.Rogers,et,al,Phys.Rev,57.379(1940)4A.H.Bucherer.Ann.d.Phys.28.513(1909)5C.E.Guye.and C.Lavanehy.Compt,Rend,161,52(1915)6V.Meyer et al,Helv,Phys,Acta,36,981(1963)7D.J.Grove,and.J.G.Fox,Phys,Rev,9
11、0,378(1953)8E.Hupka,Ann,d,Phys,31,169(1910)9季灏 中国工程科学，10，6065（2006）10唐孝威 粒子物理实验方法 人民教育出版社 北京 1982Experiment of Measuring Electronic Energy with Calorimetry MethodJi Hao（ Oriental Electromagnetic Wave Research Institute, Shanghai, 202150, China）Abstract: According to the Bertozzi experiment in 19641,
12、 the author utilizes the 1mA beam current intensity and 6Mev、8Mev、10Mev、12Mev、15Mev energy high-velocity electron to bombard the lead target, and directly measures the electronic energy with 10.52 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30相对论理论值实验值牛顿理论值 v2/c2Ek / mec2 02Ekm ec22Ekm ec2题 3 能量速度关系曲线- 5 -calorimetry method. Thus directly testifies the relationship between the electronic mass and the electronic moving velocity. Key words: Calorimetry, electromagnetic deflection, mass-velocity relation
