Question

【題目】有一核反應的反應式為，反應中所有粒子的速度均遠小于光速，試問：

（1）它是吸能反應還是放能反應，反應能為多少？

（2）在該核反應中，若靜止，入射質子的閾能為多少？閾能是使該核反應能夠發生的入射粒子的最小動能（相對實驗室參考系）.

（3）已知在該反應中入射質子的動能為1.21MeV，若所產生中子的出射方向與質子的入射方向成60.0°角，則該中子的動能為多少？

已知：、、核、核的靜止質量分別為，，，，是原子質量單位，對應的能量為931.5MeV. 結果取三位有效數字.

Answer 1

【答案】（1）反應能，是吸能核反應

（2） （3）

【解析】

（1）反應能

， ①

式中為光速. 代入數據得

. ②

上式表明這是一個吸能核反應.

（2）為了求入射質子閾能，反應前后各粒子都應沿同一直線運動. 設質子的入射速度大小為，反應后的速度大小為，中子的速度大小為，根據動量守恒的能量守恒有

， ③

. ④

由③④式可得. ⑤

令 ⑥

把⑥式代入⑤式得

. ⑦

⑦式有解的條件是

. ⑧

由⑥式可知，可能大于零，亦可能小于零. 若，則⑧總成立，中子速度一定有解，反應一定能發生；若，則由⑥⑧兩式得

. ⑨

即只有當入射質子的動能滿足⑨式時，中子速度才有解，反應才能發生，所以入射質子的閾能為

. ⑩

利用①式，在忽略項的情況下，⑩式可簡化為

，

代入有關數據得

.

（3）由動量守恒和能量守恒有

，

.

以表示反應中產生的中子速度方向與入射質子速度方向的夾角，如圖所示，根據余弦定律有

.

令，

，

，

把式代入兩式得

，

.

由式，消去后，得

，

令，

，

得.

根據題給的入射質子的動能和第（1）問求得的反應能的值，由式可知，故式的符合物理意義的解為

.

將具體數據代入式中，有.

在所有的核反應中，我們關注得最多的是能量轉化. 這里的能量轉化是在核能、粒子的動能、輻射或吸收的光子能量間進行，研究問題的入口幾乎全部是質能方程、動量（矢量）守恒、動能與其他能量間的轉換. 在這里應用的規律雖然不多，但命題人往往通過復雜模型的設計，使得解答需要復雜的運算技巧與運算能力，以增加試題的難度.

本題中的問題（2）存在著多重解法，同學們不妨試一下用其他方法求解.