例析守恒定律在原子物理中的应用

易继东

守恒定律是指自然界普遍适用的规律.在选修教材人教版3-5的原子物理内容中，一共需要用到四个守恒定律，即质量数守恒定律、电荷数守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，这四个守恒定律是解决原子物理问题的依据、关键之所在.由于应用守恒定律解题时不需要考虑物体间相互作用的过程、细节，因此，守恒定律在原子物理中有着十分重要和独特的应用，是物理学中一种不可缺少的、行之有效的解题方法，也一直是高考中原子物理部分常考不衰的热点之一.但愿本文能对学生学好高中原子物理部分起到抛砖引玉的作用.

一、质量数守恒定律和电荷数守恒定律的应用

所有的核反应过程中，都一定遵守质量数守恒定律和电荷数守恒定律这两个规律，这是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程正误等的主要依据.

例1（2013年高考重庆理综第2题）铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：23592U+10na+b+210n ，则（a+b）可能是（ ）.

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

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

解析根据核反应中的质量数守恒可知，（a+b）的质量数应为（235+1-2）=234，（a+b）的质子数应为92，A项中的质量数为（140+93）=233，B项中质量数是（141+92）=233，C项中质量数为（141+93）=234，质子数为（56+38）=94，D项中质量数为（140+94）=234，质子数为（54+38）=92，综上可知，答案应为D.

反思与小结：对书写核反应方程式的理解

（1）核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接.

（2）核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程.

（3）核反应遵循质量数守恒定律而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化.

（4）核反应也遵循电荷数守恒定律.

二、动量守恒定律的应用

动量守恒定律是自然界普遍适用的基本规律之一.大到天体，小到微观粒子，无论相互作用的是什么性质的力，也不管是在力学中、电磁学中还是微观世界中，动量守恒定律都是适用的，因此动量守恒定律也适用于原子或原子核之间的相互作用.

例2用速度为v0、质量为m1的42He核轰击质量为m2的静止的147N核，发生核反应，最终产生两种新粒子A和B.其中A为178O核，质量为m3，速度为v3；B的质量为m4.

（1）计算粒子B的速度vB；

（2）粒子A的速度符合什么条件时，粒子B的速度方向与He核的运动方向相反.

解析（1）由核反应过程中动量守恒定律有：

m1v0=m3v3+m4vB

解得：vB=m1v0-m3v3m4

（2）因B的速度与He核的速度方向相反，即：m1v0-m3v3<0

解得：v3>m1v0m3

反思与小结：用动量守恒定律解题的步骤一般为：

（1）明确研究对象——明确系统的组成、研究过程.

（2）分析受力——判断研究对象的动量是否满足守恒条件.

（3）选定正方向——确定研究对象初、末状态的动量.

（4）列出方程——求解或讨论.

三、能量守恒定律和动量守恒定律的综合应用

能量守恒定律也是人类长期总结得到的一条自然界普遍适用的基本规律.能量守恒定律和动量守恒定律的组合是解决原子物理问题的两把金钥匙、黄金搭档.

例3（2014·全国大纲卷第21题）一中子与一质量数为A（A>1）的原子核发生弹性正碰.若碰前原子核静止，则碰撞前与碰撞后中子的速率之比