Question

如圖所示，在xOy平面上，一個以原點O為圓心，半徑為4R的原型磁場區域內存在著勻強磁場，磁場的方向垂直于紙面向里，在坐標（-2R，0）的A處靜止著一個具有放射性的原子核氮₇¹³N．某時刻該核發生衰變，放出一個正電子和一個反沖核，已知正電子從A處射出時速度方向垂直于x軸，且后來通過了y軸，而反沖核剛好不離開磁場區域．不計重力影響和離子間的相互作用．
（1）寫出衰變方程．
（2）求正電子做圓周運動的半徑．
（3）求正電子最后過y軸時的坐標．

Answer 1

【答案】分析：（1）原子核發生變化時，一定滿足質量數守恒及電荷數守恒；
（2）由題意可知兩核的運動情景及反沖核的半徑，由動量守恒可知兩核的動量關系，則可得出電子的半徑；
（3）畫出兩電核的運動軌跡，由幾何關系可知最后過y軸的坐標．
解答：解：（1）由質量守恒及電荷守恒可知衰變方程為 ₇¹³N→₆¹³C+₊₁e；
（2）設反沖核和正電子在磁場中回旋半徑分別為r₁、r₂，由于反沖核與正電子都帶正電荷，在磁場中的軌跡關系應是外切圓，因正電子通過y軸，反沖核速度方向向上，正電子速度方向向下．
故反沖核的半徑r₁=R
衰變過程中遵循動量守恒 P_反=P_e
又由于
可得
可得正電子做圓周運動的半徑 r₁=6R
（3）由圖可知正電子應在通過y軸前飛出圓形磁場區域，設出射點為P，

其軌跡圓心在磁場邊界與x軸的交點O′處，過P點做出出射速度的反向延長線可交于磁場邊界D點，且D點在x軸上
根據幾何知識可得∠DO’P=∠OQD=α 
在直角三角形DO’P中，，所以

故正電子最后通過y軸的坐標為（0，）．
點評：本題綜合考查了動量、帶電粒子在電場中的偏轉及衰變方程等知識，屬綜合題；解題的重點在于兩粒子在磁場中的偏轉及幾何關系，要求學生有較高的數學功底．