题目
一个静止的镭原子核(质量为226u)衰变为一个氡核(Rn,质量为222u)和一个α粒子(α,质量为4u)。求(a)衰变后两粒子速率比((v)_(α))/((v)_{{R)_(n)}};(b)求衰变后两粒子动量大小的比((P)_(α))/((P)_{{R)_(n)}};(c)求衰变后两粒子动能的比((E)_(kα))/((E)_{{kR)_(n)}}。
一个静止的镭原子核(质量为226u)衰变为一个氡核(Rn,质量为222u)和一个α粒子(α,质量为4u)。求
(a)衰变后两粒子速率比$\frac{{v}_{α}}{{v}_{{R}_{n}}}$;
(b)求衰变后两粒子动量大小的比$\frac{{P}_{α}}{{P}_{{R}_{n}}}$;
(c)求衰变后两粒子动能的比$\frac{{E}_{kα}}{{E}_{{kR}_{n}}}$。
(a)衰变后两粒子速率比$\frac{{v}_{α}}{{v}_{{R}_{n}}}$;
(b)求衰变后两粒子动量大小的比$\frac{{P}_{α}}{{P}_{{R}_{n}}}$;
(c)求衰变后两粒子动能的比$\frac{{E}_{kα}}{{E}_{{kR}_{n}}}$。
题目解答
答案
解:(a)(b)镭衰变过程系统动量守恒,规定α粒子运动方向为正反向,设衰变后α粒子速度大小是vα,Rn核速度大小是vRn,由动量守恒定律得:mαvα-mRnvRn=0,则mαvα=mRnvRn,则两粒子动量大小之比为1
解得$\frac{{v}_{α}}{{v}_{{R}_{n}}}$=$\frac{111}{2}$
(c)根据Ek=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得:衰变后两粒子动能的比$\frac{{E}_{kα}}{{E}_{{kR}_{n}}}$=$\frac{111}{2}$
答:(a)衰变后两粒子速率比为$\frac{111}{2}$;
(b)求衰变后两粒子动量大小的比1;
(c)求衰变后两粒子动能的比$\frac{111}{2}$。
解得$\frac{{v}_{α}}{{v}_{{R}_{n}}}$=$\frac{111}{2}$
(c)根据Ek=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得:衰变后两粒子动能的比$\frac{{E}_{kα}}{{E}_{{kR}_{n}}}$=$\frac{111}{2}$
答:(a)衰变后两粒子速率比为$\frac{111}{2}$;
(b)求衰变后两粒子动量大小的比1;
(c)求衰变后两粒子动能的比$\frac{111}{2}$。
解析
本题考查动量守恒定律和动能与动量的关系。
- 核心思路:镭原子核衰变过程中,系统总动量守恒(初始动量为零,故衰变后两粒子动量大小相等、方向相反)。
- 速率比:根据动量守恒关系,速率与质量成反比。
- 动量比:直接由动量守恒得出,两粒子动量大小相等。
- 动能比:利用动能公式或动量与动能的关系推导,结果与速率比相同。
(a)速率比 $\frac{v_{\alpha}}{v_{Rn}}$
- 动量守恒:
衰变前后总动量为零,故 $m_{\alpha} v_{\alpha} = m_{Rn} v_{Rn}$。 - 速率关系:
速率与质量成反比,即 $\frac{v_{\alpha}}{v_{Rn}} = \frac{m_{Rn}}{m_{\alpha}}$。 - 代入数据:
$m_{Rn} = 222\,\text{u}$,$m_{\alpha} = 4\,\text{u}$,得 $\frac{v_{\alpha}}{v_{Rn}} = \frac{222}{4} = \frac{111}{2}$。
(b)动量大小比 $\frac{P_{\alpha}}{P_{Rn}}$
- 动量守恒直接结论:
衰变后两粒子动量大小相等,故 $\frac{P_{\alpha}}{P_{Rn}} = 1$。
(c)动能比 $\frac{E_{k\alpha}}{E_{kRn}}$
- 动能公式:
$E_{k} = \frac{1}{2} m v^{2}$,结合速率比 $\frac{v_{\alpha}}{v_{Rn}} = \frac{111}{2}$,得:
$\frac{E_{k\alpha}}{E_{kRn}} = \frac{m_{\alpha} v_{\alpha}^{2}}{m_{Rn} v_{Rn}^{2}} = \frac{m_{\alpha}}{m_{Rn}} \left( \frac{v_{\alpha}}{v_{Rn}} \right)^{2} = \frac{4}{222} \cdot \left( \frac{111}{2} \right)^{2} = \frac{111}{2}.$ - 简化推导(利用动量关系):
动能也可表示为 $E_{k} = \frac{P^{2}}{2m}$,因 $P_{\alpha} = P_{Rn}$,故:
$\frac{E_{k\alpha}}{E_{kRn}} = \frac{\frac{P^{2}}{2m_{\alpha}}}{\frac{P^{2}}{2m_{Rn}}} = \frac{m_{Rn}}{m_{\alpha}} = \frac{222}{4} = \frac{111}{2}.$