Question

回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

（1）當(dāng)今醫(yī)學(xué)成像診斷設(shè)備PET/CT堪稱“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)高科技之冠”，它在醫(yī)療診斷中，常利用能放射電子的同位素碳11為示蹤原子，碳11是由小型回旋加速器輸出的高速質(zhì)子轟擊氮14獲得，同時還產(chǎn)生另一粒子，試寫出核反應(yīng)方程。若碳11的半衰期τ為20min，經(jīng)2.0h剩余碳11的質(zhì)量占原來的百分之幾？（結(jié)果取2位有效數(shù)字）

（2）回旋加速器的原理如圖，D₁和D₂是兩個中空的半徑為R的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上，位于D₁圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，D₁、D₂置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。若質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P，求輸出時質(zhì)子束的等效電流I與P、B、R、f的關(guān)系式（忽略質(zhì)子在電場中運(yùn)動的時間，其最大速度遠(yuǎn)小于光速）

（3）試推理說明：質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動時，隨軌道半徑r的增大，同一盒中相鄰軌道的半徑之差是增大、減小還是不變？

Answer 1

（1）核反應(yīng)方程為                                                                                            ①

設(shè)碳11原有質(zhì)量為m₀，經(jīng)過t=2.0h剩余的質(zhì)量為m_t，根據(jù)半衰期定義，有：

                                                                                                    ②

（2）設(shè)質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q，質(zhì)子離開加速器時速度大小為v，由牛頓第二定律知：

                                                                                                                            ③

質(zhì)子運(yùn)動的回旋周期為：                                                                              ④

由回旋加速器工作原理可知，交變電源的頻率與質(zhì)子回旋頻率相同，由周期T與頻率f的關(guān)系可得：

                                                                                                ⑤

設(shè)在t時間內(nèi)離開加速器的質(zhì)子數(shù)為N，則質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率

                                                                                     ⑥

輸出時質(zhì)子束的等效電流為：                                                                                     ⑦

由上述各式得

若以單個質(zhì)子為研究對象解答過程正確的同樣給分

（3）方法一：

設(shè)k（k∈N*）為同一盒子中質(zhì)子運(yùn)動軌道半徑的序數(shù)，相鄰的軌道半徑分別為r_k，r_k+1（r_k>r_k+1），

，在相應(yīng)軌道上質(zhì)子對應(yīng)的速度大小分別為v_k，v_k+1，D₁、D₂之間的電壓為U，由動能定理知                                                                                                            ⑧

由洛倫茲力充當(dāng)質(zhì)子做圓周運(yùn)動的向心力，知，則                 ⑨

整理得                                                                                                     ⑩

因U、q、m、B均為定值，令，由上式得                                          ⑾

相鄰軌道半徑r_k+1，r_k+2之差

同理

因?yàn)?i>r_k+2> r_k，比較，得

說明隨軌道半徑r的增大，同一盒中相鄰軌道的半徑之差減小

方法二：

設(shè)k（k∈N*）為同一盒子中質(zhì)子運(yùn)動軌道半徑的序數(shù)，相鄰的軌道半徑分別為r_k，r_k+1（r_k>r_k+1），

，在相應(yīng)軌道上質(zhì)子對應(yīng)的速度大小分別為v_k，v_k+1，D₁、D₂之間的電壓為U

由洛倫茲力充當(dāng)質(zhì)子做圓周運(yùn)動的向心力，知，故                                   ⑿

由動能定理知，質(zhì)子每加速一次，其動能增量                                                        ⒀

以質(zhì)子在D₂盒中運(yùn)動為例，第k次進(jìn)入D₂時，被電場加速（2k﹣1）次

速度大小為                                                                                               ⒁

同理，質(zhì)子第（k+1）次進(jìn)入D₂時，速度大小為

綜合上述各式可得

整理得，

同理，對于相鄰軌道半徑r_k+1，r_k+2，，整理后有

由于r_k+2> r_k，比較，得

說明隨軌道半徑r的增大，同一盒中相鄰軌道的半徑之差減小，用同樣的方法也可得到質(zhì)子在D₁盒中運(yùn)動時具有相同的結(jié)論。