Question

17．中子的發(fā)現(xiàn)是物理史上的一件大事．1920年英國物理學家盧瑟福通過人工核轉(zhuǎn)變發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，在研究原子核的帶電量與質(zhì)量時發(fā)現(xiàn)原子核的質(zhì)量大于核中所有質(zhì)子的質(zhì)量和，于是預(yù)言：可能有一種質(zhì)量與質(zhì)子相近的不帶電的中性粒子存在，他把它叫做中子．
1930年科學家在真空條件下用α射線轟擊鈹核${\;}_{4}^{9}$Be時，發(fā)現(xiàn)一種看不見、貫穿能力極強的不知名射線和另一種粒子產(chǎn)生．這種不知名射線具有如下特點：
①在任意方向的磁場中均不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
②這種射線的速度遠小于光速；
③用它轟擊含有氫核的物質(zhì)，可以把氫核打出來；用它轟擊含有氮核的物質(zhì)，可以把氮核打出來．實驗中測得，被打出氫核的最大速度為3.3×10⁷m/s，氮核的最大速度為4.7×10⁶m/s，假定該射線中的粒子均具有相同的能量，氫核和氮核碰前可認為是靜止的，碰撞過程中沒有機械能的損失．
已知氫核質(zhì)量M_H與氮核質(zhì)量M_N之比為1：14．根據(jù)以上信息，不考慮相對論效應(yīng)，完成下列問題．
（1）請通過分析說明該射線是否帶電，是否為γ射線；
（2）請判斷該射線中的粒子是否為盧瑟福所預(yù)言的中子，并通過分析說明依據(jù)；
（3）寫出用α射線轟擊鈹核${\;}_{4}^{9}$Be發(fā)現(xiàn)該射線的核反應(yīng)方程．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)帶電粒子在磁場中是否偏轉(zhuǎn)方向，結(jié)合左手定則，即可判定粒子帶電與否，再結(jié)合各種射線的速度，即可判定；
（2）依據(jù)彈性碰撞過程中，動量守恒與機械能守恒定律，即可求解；
（3）根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程．

解答 解：（1）若該射線帶電，在磁場中受到洛倫茲力會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．由①知，該射線在任意方向的磁場中均不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此該射線不帶電，由電中性的粒子流組成．
由②可知，這種射線的速度遠小于光速，而γ射線是光子流，其速度就是光速，因此該射線不是γ射線．     
（2）下面分析該射線粒子與質(zhì)子的質(zhì)量間的關(guān)系．設(shè)組成該射線的粒子質(zhì)量為m，轟擊含有氫核或氮核的物質(zhì)時速度為v．由于碰撞過程中沒有機械能損失，當被打出的氫核和氮核的速度為最大值時，表明其碰撞為彈性碰撞．
設(shè)與氫核發(fā)生彈性正碰后粒子速度為v₁，氫核速度為v_H；與氮核發(fā)生彈性正碰后粒子速度為v₂，氮核速度為v_N．
根據(jù)動量守恒和機械能守恒，
轟擊氫核，則有：mv=mv₁+M_Hv_H…①；
$\frac{1}{2}m{v}^{2}=\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}+\frac{1}{2}{M}_{H}{v}_{H}^{2}$…②
解得 ${v}_{H}=\frac{2mv}{m+{M}_{H}}$…③
轟擊氮核
mv=mv₂+M_Nv_N…④；
$\frac{1}{2}m{v}^{2}=\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}+\frac{1}{2}{M}_{N}{v}_{N}^{2}$…⑤
解得：${v}_{N}=\frac{2mv}{m+{M}_{N}}$…⑥
由③⑥式解得：m=1.16M_H≈M_N；       
計算得該射線粒子的質(zhì)量與質(zhì)子（氫核）的質(zhì)量近似相等，表明這種射線粒子就是盧瑟福所預(yù)言的中子．
（3）根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒得，則有：${\;}_{2}^{4}He{+}_{4}^{9}Be$→${\;}_{6}^{12}C$+${\;}_{0}^{1}n$
答：（1）該射線不帶電，不是為γ射線；
（2）是盧瑟福所預(yù)言的中子，依據(jù)是該射線粒子的質(zhì)量與質(zhì)子（氫核）的質(zhì)量近似相等；
（3）用α射線轟擊鈹核${\;}_{4}^{9}$Be發(fā)現(xiàn)該射線的核反應(yīng)方程是${\;}_{2}^{4}He{+}_{4}^{9}Be$→${\;}_{6}^{12}C$+${\;}_{0}^{1}n$．

點評 考查三種射線的特征，理解動量守恒定律和機械能守恒定律，并掌握核反應(yīng)方程的書寫規(guī)律，注意綜合性較強，對學生的分析推理能力要求較高，是一道好題．