高中 | 原子核的人工转变 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选修3-5

第十九章 原子核

19.4 放射性的应用与防护

原子核的人工转变

利用磁偏转系统可以测量不同核反应中释放的高能粒子能量,从而研究原子核结构。如图$1$所示,用回旋加速器使氘原子核($\rm _{1}^{2}H$)获得$2.74\;\rm MeV$动能,让其在$S$处撞击铝($\rm _{13}^{27}Al$)核发生核反应,产生处于某一激发态和基态的同位素核($\rm _{13}^{28}Al$)以及两种不同能量的质子($\rm _{1}^{1}H$)。产生的质子束经狭缝$X$沿水平直径方向射入半径为$R$,方向垂直纸面向里、大小为$B$的圆形匀强磁场区域,经偏转后打在位于磁场上方的探测板上$A$$D$处(探测板与磁场边界相切于$A$点,$D$点与磁场圆心$O$处在同一竖直线上),获得如图$2$所示的质子动能的能谱图。

写出氘核撞击铝核的核反应方程;

[["

$\\rm _{1}^{2}H+_{13}^{27}Al→_{13}^{28}Al+_{1}^{1}H$

"]]

氘核撞击铝核的核反应方程$\rm _{1}^{2}H+_{13}^{27}Al→_{13}^{28}Al+_{1}^{1}H$

$A$$D$的间距$L$

[["

$\\dfrac{\\sqrt{3}R}{3}$

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由图可知,两种质子的动能分别为$3\;\rm MeV$$9\;\rm MeV$,动能之比$1:3$,可知速度之比$1:\sqrt{3}$,根据$evB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

可知$r=\dfrac{mv}{eB}$

可知在磁场中的半径之比为$r_{1}:r_{2}=1:\sqrt{3}$

由图可知半径较小的打到$A$点,半径较大的打到$D$点,由几何关系可知$\dfrac{r_{1}}{R}=\tan\theta$$r_{2}=R$

解得$\theta=30^\circ $

可得$A$$D$的间距$L=R\tan 30{^\circ}=\dfrac{\sqrt{3}R}{3}$

若从回旋加速器引出的高能氘核流为$1.0\;\rm mA$,求回旋加速器的输出功率;

[["

$2.74\\times 10^{3}\\;\\rm W$

"]]

若从回旋加速器引出的高能氘核流为$1.0\;\rm mA$,则时间$t$射出氘核的数量为$n=\dfrac{It}{e}$

回旋加速器的输出功率$P=\dfrac{nE}{t}=\dfrac{IE}{e}=\dfrac{10^{- 3}\;\rm \text{A} \times 2.74 \times 10^{6}\ \text{eV}}{e}=2.74 \times 10^{3}\;\rm \text{W}$

处于激发态的$\rm _{13}^{28}Al$核会发生$\beta$衰变,核反应方程是$\rm _{13}^{28}Al→_{14}^{28}Si+_{-1}^{0}e$。若$\rm _{13}^{28}Al$核质量等于$\rm _{14}^{28}Si$核质量,电子质量为$0.51\;\rm MeV/c^{2}$,在上述两个核反应过程中,原子核被视为静止,求衰变释放的能量。

[["

$0.25\\;\\rm MeV$

"]]

反应之前氘原子核($\rm _{1}^{2}H$)的动能为$2.74\;\rm MeV$,核反应产生处于某一激发态的同位素核($\rm _{13}^{28}Al$)时生成的($\rm _{1}^{1}H$)的动能为$3\;\rm MeV$;衰变释放能量$\Delta E=2.74\;{\rm MeV-3\;\rm MeV}+\Delta mc^{2}=0.25\;\rm MeV$

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