Question

【題目】能量守恒定律、動量守恒定律、電荷守恒定律等等是自然界普遍遵循的規(guī)律，在微觀粒子的相互作用過程中也同樣適用．盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子之后，他猜測：原子核內可能還存在一種不帶電的粒子．

（1）為尋找這種不帶電的粒子，他的學生查德威克用粒子轟擊一系列元素進行實驗．當他用粒子轟擊鈹原子核時發(fā)現(xiàn)了一種未知射線，并經(jīng)過實驗確定這就是中子，從而證實了盧瑟福的猜測．請你完成此核反應方程．

（2）為了測定中子的質量，查德威克用初速度相同的中子分別與靜止的氫核與靜止的氮核發(fā)生彈性正碰．實驗中他測得碰撞后氮核的速率與氫核的速率關系是．已知氮核質量與氫核質量的關系是，將中子與氫核、氮核的碰撞視為完全彈性碰撞．請你根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算中子質量與氫核質量的比值．

（3）以鈾235為裂變燃料的“慢中子”核反應堆中，裂變時放出的中子有的速度很大，不易被鈾235俘獲，需要使其減速．在討論如何使中子減速的問題時，有人設計了一種方案：讓快中子與靜止的粒子發(fā)生碰撞，他選擇了三種粒子：鉛核、氫核、電子．以彈性正碰為例，僅從力學角度分析，哪一種粒子使中子減速效果最好，請說出你的觀點并說明理由．

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）僅從力學角度分析，氫核減速效果最好，理由見解析

【解析】

（1）根據(jù)核反應過程中核電荷數(shù)與質量數(shù)守恒，知核反應方程式為；

（2）設中子與氫核、氮核碰撞前后速率為，中子與氫核發(fā)生完全彈性碰撞時，取碰撞前中子的速度方向為正方向，由動量守恒定律和能量守恒定律有：；

，

解得碰后氫核的速率，

同理可得：中子與氮核發(fā)生完全彈性碰撞后，氮核的速率；

因此有，解得；

（3）僅從力學角度分析，氫核減速效果最好，因為中子與質量為m的粒子發(fā)生彈性正碰時，根據(jù)動量守恒定律和能量守恒定律知，碰撞后中子的速率；

①由于鉛核質量比中子質量大很多，碰撞后中子幾乎被原速率彈回；

②由于電子質量比中子質量小很多，碰撞后中子將基本不會減速；

③由于中子質量與氫核質量相差不多，碰撞后中子的速率將會減小很多．