核反应中的守恒探析

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核反应中的守恒探析
守恒定律是自然界中普遍成立的规律，是物理学中有效的思维方法。在核反应过程中，虽然发生了质量亏损，但都遵守电荷数守恒，质量数守恒，动量守恒和能量守恒；核碰撞中还遵守动量守恒和能量守恒。应用上述守恒定律是解决原子物理问题的主要依据和有效的思维方法。本文结合实例分类探析核反应中的守恒。
一、核反应中的守恒
1. 电荷数、质量数守恒
例1. 在核反应方程式中（ ）
A. X是中子，
B. X是中子，
C. X是质子，
D. X是质子，
解析：在题目所给的核反应中，由电荷数守恒，设X的质子数为x，则核反应方程的左边质子数为92＋0＝92，右边质子数为38＋54＋x＝92，x＝0，X的质子数为0，所以X为中子；由质量数守恒，左边的质量数为235＋1＝236，右边的质量数为90＋136＋k×1＝236，k＝10，所以k的数值为10，B选项正确。
2. 动量守恒
例2. 光子的能量是，动量为，如果一个静止的放射元素的原子核在发生辐射时只发出一个光子，则辐射后的原子核（ ）
A. 仍然静止
B. 沿着与光子运动方向相同的方向运动
C. 沿着与光子运动方向相反的方向运动
D. 可能向相反的方向运动
解析：原子核发生γ辐射时只发出一个光子，从核反应方程上来看原子核的电荷数和质量数都没有发生变化，但光子是有动量的，根据动量守恒定律，辐射后的原子核应有一个与光子等大相反的动量，故选C。
3. 能量和动量守恒
例3. 云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次α衰变，α粒子的质量为m，电量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内。现测得α粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中的质量亏损（注：涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计）
解析：设核衰变产生的α粒子的速度为v，则有
用表示衰变后剩余核的速度，则由动量守恒定律有
在衰变过程中，α粒子和剩余核的动能来自核反应过程中所释放的核能，由质能方程和能量守恒定律
结合以上方程可解得
二、碰撞中的动量和动能守恒
例4. 1920年，质子已被发现，英国物理学家卢瑟福曾预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫中子。1930年发现，在真空条件下用α射线轰击铍时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子。经过研究发现，这种不知名射线具有如下特点：①在任意方向的磁场中均不能发生偏转；②这种射线的速度小于光速的十分之一；③由它轰击含有氢核的物质，可以把氢核打出来；由它轰击含有氮核的物质，可以把氮核打出来，并且被打出的是氢核的最大速度vH和被打出的氮核的最大速度vN之比近似等于15:2，若该射线中的粒子均具有相同的能量，氢核和氮核可认为静止，碰撞过程中机械能无损失。已知氢核的质量MH和氮核的质量MN之比等于1:14。
（1）写出α射线轰击铍核的核反应方程。
（2）根据上面所述的各种情况，通过具体分析说明射线是不带电的，但它不是γ射线，而是由中子组成。
解析：（1）核反应方程是：
（2）由①可知，由于该射线在任意方向的磁场中均不能发生偏转，因此该射线不带电，是由电中性的粒子流组成的。由②可知，由于γ射线是光子流，而该射线的速度小于光速的十分之一，因此它不是γ射线。
设组成该射线的粒子质量为m，轰击氢核和氮核时的速度为v，由于碰撞过程中机械能无损失，当被打出的氢核和氮核的速度为最大值时，表明该粒子与氢核及氮核的碰撞为弹性正碰，设与氢核发生弹性正碰后粒子速度为v1，与氮核发生弹性正碰后粒子速度变为v2，根据动量守恒和机械能守恒，在打出氢核的过程中有：
解得
同理，在打出氮核的过程中，有：
解得，
根据vH、vN的表达式及
解得
即该粒子的质量与氢核质量近似相等，因此这种粒子是中子。
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