Question

受控核聚變裝置中有極高的溫度，因而帶電粒子將沒有通常意義上的“容器”可裝，而是由磁場約束帶電粒子運動使之束縛在某個區域內．現按下面的簡化條件來討論這個問題：如圖所示的是一個截面為內徑R₁=0.6m、外徑R₂=1.2m的環狀區域，區域內有垂直于截面向里的勻強磁場．已知氦核的荷質比，磁場的磁感應強度B=0.4T，不計帶電粒子重力．
（1）把氫核聚變反應簡化為4個氫核（H）聚變成氦核（），同時放出2個正電子（）和2個中微子（v），請寫出該氫核聚變反應的方程，并給出一次核反應所釋放能量的表達式．（氫核、氦核及電子的質量分別為m_p、m_α、m_e，光速為c）
（2）實踐證明，氦核在磁場區域內沿垂直于磁場方向運動速度v的大小與它在磁場中運動的軌道半徑r有關，試導出v與r的關系式；
（3）若氦核沿磁場區域的半徑方向平行于截面從A點射入磁場，畫出氦核在磁場中運動而不穿出外邊界的最大圓軌道示意圖；
（4）若氦核在平行于截面從A點沿各個方向射入磁場都不能穿出磁場外邊界，求氦核的最大速度．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據質量數、電荷數守恒寫出氫核聚變反應的方程，根據質能方程求出次核反應所釋放能量；
（2）由洛侖茲力充當向心力，利用牛頓第二定律可求導出粒了v與r的關系式；要使粒子均不能穿出磁場，由幾何關系可得出粒子的最大半徑，由半徑公式可求得粒子的最大速度．
解答：解：（l）根據質量數、電荷數守恒可知，氫核聚變反應的方程為：4→+2+2v 
質量虧損為：△m=4m_p-m_α-2m_e  
所以：△E=△mc²=（4m_p-m_α-2m_e）c² 
（2）設氦核質量為m，電量為q，以速率v在磁感強度為B的勻強磁場中做半徑為r的勻速圓周運動，
由洛侖茲力公式和牛頓定律得：
Bqv=m 
解得：v=
（3）所求軌跡示意圖如圖1所示（要與外圓相切） 
（4）當氦核以v_m的速度沿與內圓相切方向射入磁場且軌道與外圓相切時，則以v_m速度沿各方向射人磁場區的氦核都不能穿出磁場外邊界，如圖2所示，由圖可知：r′=
由①式可得：r=
在速度為v_m時不穿越磁場外界應滿足的條件是：≤r′
代入數據可得：v_m≤5.76×10⁴m/s
答：（1）氫核聚變反應的方程為：4→+2+2v，一次核反應所釋放能量的表達式為（4m_p-m_α-2m_e）c²；
（2）v與r的關系式為v=；
（3）如圖所示；
（4）氦核的最大速度為5.76×10⁴m/s；
點評：帶電粒子在有界磁場中的運動，要注意利用題目中給出的幾何關系找出圓心及半徑，即可由牛頓第二定律求出要求的量．