例析守恒定律在原子物理中的應(yīng)用

易繼東

守恒定律是指自然界普遍適用的規(guī)律.在選修教材人教版3-5的原子物理內(nèi)容中，一共需要用到四個(gè)守恒定律，即質(zhì)量數(shù)守恒定律、電荷數(shù)守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，這四個(gè)守恒定律是解決原子物理問題的依據(jù)、關(guān)鍵之所在.由于應(yīng)用守恒定律解題時(shí)不需要考慮物體間相互作用的過程、細(xì)節(jié)，因此，守恒定律在原子物理中有著十分重要和獨(dú)特的應(yīng)用，是物理學(xué)中一種不可缺少的、行之有效的解題方法，也一直是高考中原子物理部分常考不衰的熱點(diǎn)之一.但愿本文能對(duì)學(xué)生學(xué)好高中原子物理部分起到拋磚引玉的作用.

一、質(zhì)量數(shù)守恒定律和電荷數(shù)守恒定律的應(yīng)用

所有的核反應(yīng)過程中，都一定遵守質(zhì)量數(shù)守恒定律和電荷數(shù)守恒定律這兩個(gè)規(guī)律，這是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程正誤等的主要依據(jù).

例1（2013年高考重慶理綜第2題）鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應(yīng)：23592U+10na+b+210n ，則（a+b）可能是（ ）.

A.14054Xe+9336KrB.14156Ba+9336Kr

C.14156Ba+9338Sr D.14054Xe+9438Sr

解析根據(jù)核反應(yīng)中的質(zhì)量數(shù)守恒可知，（a+b）的質(zhì)量數(shù)應(yīng)為（235+1-2）=234，（a+b）的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為92，A項(xiàng)中的質(zhì)量數(shù)為（140+93）=233，B項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)是（141+92）=233，C項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)為（141+93）=234，質(zhì)子數(shù)為（56+38）=94，D項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)為（140+94）=234，質(zhì)子數(shù)為（54+38）=92，綜上可知，答案應(yīng)為D.

反思與小結(jié)：對(duì)書寫核反應(yīng)方程式的理解

（1）核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭連接并表示反應(yīng)方向，不能用等號(hào)連接.

（2）核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程.

（3）核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒定律而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會(huì)發(fā)生變化.

（4）核反應(yīng)也遵循電荷數(shù)守恒定律.

二、動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用

動(dòng)量守恒定律是自然界普遍適用的基本規(guī)律之一.大到天體，小到微觀粒子，無論相互作用的是什么性質(zhì)的力，也不管是在力學(xué)中、電磁學(xué)中還是微觀世界中，動(dòng)量守恒定律都是適用的，因此動(dòng)量守恒定律也適用于原子或原子核之間的相互作用.

例2用速度為v0、質(zhì)量為m1的42He核轟擊質(zhì)量為m2的靜止的147N核，發(fā)生核反應(yīng)，最終產(chǎn)生兩種新粒子A和B.其中A為178O核，質(zhì)量為m3，速度為v3；B的質(zhì)量為m4.

（1）計(jì)算粒子B的速度vB；

（2）粒子A的速度符合什么條件時(shí)，粒子B的速度方向與He核的運(yùn)動(dòng)方向相反.

解析（1）由核反應(yīng)過程中動(dòng)量守恒定律有：

m1v0=m3v3+m4vB

解得：vB=m1v0-m3v3m4

（2）因B的速度與He核的速度方向相反，即：m1v0-m3v3<0

解得：v3>m1v0m3

反思與小結(jié)：用動(dòng)量守恒定律解題的步驟一般為：

（1）明確研究對(duì)象——明確系統(tǒng)的組成、研究過程.

（2）分析受力——判斷研究對(duì)象的動(dòng)量是否滿足守恒條件.

（3）選定正方向——確定研究對(duì)象初、末狀態(tài)的動(dòng)量.

（4）列出方程——求解或討論.

三、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律的綜合應(yīng)用

能量守恒定律也是人類長(zhǎng)期總結(jié)得到的一條自然界普遍適用的基本規(guī)律.能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律的組合是解決原子物理問題的兩把金鑰匙、黃金搭檔.

例3（2014·全國(guó)大綱卷第21題）一中子與一質(zhì)量數(shù)為A（A>1）的原子核發(fā)生彈性正碰.若碰前原子核靜止，則碰撞前與碰撞后中子的速率之比