Question

一个高中物理问题（动量守恒定律）

有些核反应堆里要让中子与原子核碰撞，以便把中子的速率降下来。为此，应该选用质量较大的还是质量较小的原子核？为什么？

Answer 1

核反应堆是用减速剂来使中子速度减慢，选用质量相对较大的原子核，但是不能很大，根据动量守恒定律m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'得，要选择合适质量的原子核，否则可能使中子速度变为0。
这样就达不到使中子继续碰撞发生裂变的目的了。

Answer 2

当然是质量较大的原子核了，因为碰撞过程中虽然动量守恒但动能不守恒。质量大的碰撞后分得得速度大动能就大中子的动能就小。

Answer 3

在慢中子核反应堆里用的是轻原子核实现减速。
实际上针对不同速率的中子，可采用不同的减速手段。
能量达到十几MV的快中子可以通过重核来减速，此时主要是和原子核非弹性碰撞，中子能量损失快。
能量稍低的中子，以弹性碰撞为主，此时就需要用质量较小的原子核来减速。

核反应堆里慢化中子的主要目的是降低快中子的速度以便被铀235吸收裂变。在这里主要考虑的是弹性碰撞。
此时，中子和原子核之间碰撞时可以近似看做弹性碰撞
设中子质量m，初速v，碰撞后速度v1，原子核质量M，初速V，碰撞后速度V1，速度均为矢量表达
则弹性碰撞前提下，
有动量守恒mv+MV=mv1+MV1 则m(v-v1)=M(V1-V) （矢量表达）
要使等式成立，若M远大于m，则v-v1向量大小远大于V1-V向量大小，则M速度改变很小而m速度改变很大，不符合降低中子速度的初衷。可通过弹性碰撞动能定理(mv^2)/2+(MV^2)/2=(mv1^2)/2+(MV1^2)/2来求得具体的值。

所以M应接近或小于m。虽然原子核质量不会小于中子，但用轻的原子核可以起相应的作用。

氢原子是良好的中子减速剂，重水、轻水、石蜡、石墨等都是良好的候选材料。
需要注意，以上分析限于慢中子核反应堆。
还需注意，若只是对中子减速，而不希望中子减少，则选择中子散射截面较大的物质，若希望屏蔽掉中子，则选择中子吸收截面较大的物质（如硼）。吸收中子可减少中子参与链式反应的数量（以免反应堆失控），将核反应控制在合理范围内，也防止中子辐射泄漏。