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高中 | 原子核的人工转变题目答案及解析如下,仅供参考!
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$\rm _{1}^{2}H+_{13}^{27}Al→_{13}^{28}Al+_{1}^{1}H$
求$A$、$D$的间距$L$;
$\\dfrac{\\sqrt{3}R}{3}$
"]]由图可知,两种质子的动能分别为$3\;\rm MeV$和$9\;\rm MeV$,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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