Question

17．中子的发现是物理史上的一件大事．1920年英国物理学家卢瑟福通过人工核转变发现了质子，在研究原子核的带电量与质量时发现原子核的质量大于核中所有质子的质量和，于是预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫做中子．
1930年科学家在真空条件下用α射线轰击铍核${\;}_{4}^{9}$Be时，发现一种看不见、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子产生．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发生偏转；
②这种射线的速度远小于光速；
③用它轰击含有氢核的物质，可以把氢核打出来；用它轰击含有氮核的物质，可以把氮核打出来．实验中测得，被打出氢核的最大速度为3.3×10⁷m/s，氮核的最大速度为4.7×10⁶m/s，假定该射线中的粒子均具有相同的能量，氢核和氮核碰前可认为是静止的，碰撞过程中没有机械能的损失．
已知氢核质量M_H与氮核质量M_N之比为1：14．根据以上信息，不考虑相对论效应，完成下列问题．
（1）请通过分析说明该射线是否带电，是否为γ射线；
（2）请判断该射线中的粒子是否为卢瑟福所预言的中子，并通过分析说明依据；
（3）写出用α射线轰击铍核${\;}_{4}^{9}$Be发现该射线的核反应方程．

Answer 1

分析 （1）依据带电粒子在磁场中是否偏转方向，结合左手定则，即可判定粒子带电与否，再结合各种射线的速度，即可判定；
（2）依据弹性碰撞过程中，动量守恒与机械能守恒定律，即可求解；
（3）根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程．

解答 解：（1）若该射线带电，在磁场中受到洛伦兹力会发生偏转．由①知，该射线在任意方向的磁场中均不发生偏转，因此该射线不带电，由电中性的粒子流组成．
由②可知，这种射线的速度远小于光速，而γ射线是光子流，其速度就是光速，因此该射线不是γ射线．     
（2）下面分析该射线粒子与质子的质量间的关系．设组成该射线的粒子质量为m，轰击含有氢核或氮核的物质时速度为v．由于碰撞过程中没有机械能损失，当被打出的氢核和氮核的速度为最大值时，表明其碰撞为弹性碰撞．
设与氢核发生弹性正碰后粒子速度为v₁，氢核速度为v_H；与氮核发生弹性正碰后粒子速度为v₂，氮核速度为v_N．
根据动量守恒和机械能守恒，
轰击氢核，则有：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
轰击氮核
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；       
计算得该射线粒子的质量与质子（氢核）的质量近似相等，表明这种射线粒子就是卢瑟福所预言的中子．
（3）根据电荷数守恒、质量数守恒得，则有：${\;}_{2}^{4}He{+}_{4}^{9}Be$→${\;}_{6}^{12}C$+${\;}_{0}^{1}n$
答：（1）该射线不带电，不是为γ射线；
（2）是卢瑟福所预言的中子，依据是该射线粒子的质量与质子（氢核）的质量近似相等；
（3）用α射线轰击铍核${\;}_{4}^{9}$Be发现该射线的核反应方程是${\;}_{2}^{4}He{+}_{4}^{9}Be$→${\;}_{6}^{12}C$+${\;}_{0}^{1}n$．

点评 考查三种射线的特征，理解动量守恒定律和机械能守恒定律，并掌握核反应方程的书写规律，注意综合性较强，对学生的分析推理能力要求较高，是一道好题．