例析守恒定律在原子物理中的應用

易繼東

守恒定律是指自然界普遍適用的規律.在選修教材人教版3-5的原子物理內容中，一共需要用到四個守恒定律，即質量數守恒定律、電荷數守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，這四個守恒定律是解決原子物理問題的依據、關鍵之所在.由于應用守恒定律解題時不需要考慮物體間相互作用的過程、細節，因此，守恒定律在原子物理中有著十分重要和獨特的應用，是物理學中一種不可缺少的、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之一.但愿本文能對學生學好高中原子物理部分起到拋磚引玉的作用.

一、質量數守恒定律和電荷數守恒定律的應用

所有的核反應過程中，都一定遵守質量數守恒定律和電荷數守恒定律這兩個規律，這是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程正誤等的主要依據.

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

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

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

解析根據核反應中的質量數守恒可知，（a+b）的質量數應為（235+1-2）=234，（a+b）的質子數應為92，A項中的質量數為（140+93）=233，B項中質量數是（141+92）=233，C項中質量數為（141+93）=234，質子數為（56+38）=94，D項中質量數為（140+94）=234，質子數為（54+38）=92，綜上可知，答案應為D.

反思與小結：對書寫核反應方程式的理解

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

（2）核反應的生成物一定要以實驗為基礎，不能憑空只依據兩個守恒規律杜撰出生成物來寫核反應方程.

（3）核反應遵循質量數守恒定律而不是質量守恒，核反應過程中反應前后的總質量一般會發生變化.

（4）核反應也遵循電荷數守恒定律.

二、動量守恒定律的應用

動量守恒定律是自然界普遍適用的基本規律之一.大到天體，小到微觀粒子，無論相互作用的是什么性質的力，也不管是在力學中、電磁學中還是微觀世界中，動量守恒定律都是適用的，因此動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、質量為m1的42He核轟擊質量為m2的靜止的147N核，發生核反應，最終產生兩種新粒子A和B.其中A為178O核，質量為m3，速度為v3；B的質量為m4.

（1）計算粒子B的速度vB；

（2）粒子A的速度符合什么條件時，粒子B的速度方向與He核的運動方向相反.

解析（1）由核反應過程中動量守恒定律有：

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：用動量守恒定律解題的步驟一般為：

（1）明確研究對象——明確系統的組成、研究過程.

（2）分析受力——判斷研究對象的動量是否滿足守恒條件.

（3）選定正方向——確定研究對象初、末狀態的動量.

（4）列出方程——求解或討論.

三、能量守恒定律和動量守恒定律的綜合應用

能量守恒定律也是人類長期總結得到的一條自然界普遍適用的基本規律.能量守恒定律和動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·全國大綱卷第21題）一中子與一質量數為A（A>1）的原子核發生彈性正碰.若碰前原子核靜止，則碰撞前與碰撞后中子的速率之比