提前说明:本章涉及到的相关知识,大部分来自于中国工程物理🗙🜃研究院官网、对外公开资料。🝛
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李察阅读,目光在书页上移动。
“铀235提纯的第一种方法,是电磁分🖊🐽离法,利用质谱仪的原理进行同位素分离。
其中质谱仪是实验室用来分析带电粒子质量的一种仪器,能够让质量不同而带电量相同的粒子,进入磁场发生偏转的半径不同,从而分离。
详⚱🕌细解释的话,那就是粒子以速度v进入磁场(假设朝上),带正电荷粒子运动所产生的磁场磁力线沿运动方向的左边朝上、右边朝下。因而运动带电粒子左边的磁场被加强,右边的磁场被减弱,形成一个磁场梯度,产生一个从左向右推的磁压力。
这个力与🇫🛣速度方向垂直,虽然不能改变运动带电粒子速度值的大小,但是却能改变粒子运👲🌴动的方向,形成一个向心力。
又因为磁场是均匀的,对运动🅶带电粒子产生的磁压力处处相等,所以使运动的带电粒子在磁场中作匀速圆周运动。
按照电磁学公式,可知,磁场的😄作用力等于qBv,向心加速度等于v2/R。
所以,能导出:🙕qBv=Mv2/R→qBR=Mv。
公式中,q为粒子电量,v为粒😄子运动速度,M为粒🁜子质量,B为磁感应强度,R为粒子作圆周运动的偏转半径。
又因🕣🕣为粒子电量q、磁感应强度B都是确定的,由此运动粒子的动量与偏转半径成正比。
带相同电荷q而质量不同的离子,通过相同的加速电压U,获得的电势能是相等的,且等于进入磁场时的动能为:qU=(1/2)Mv2。
前面已知粒子的动量Mv=qBR,两式消去v,即得M=q⚸B2R2/2U。
对于质量等于(M+DM)的粒子,(M+DM)🜩🄴=qB2(R+DR)2/2U。
由此可得出DM/M=2DR/R,即质量的相对偏差,是半径相对偏差的2倍。
由于入射粒子的质量不同,它们经过相同电压加速后获得的能量相等,但动量不同。进入磁场后,动量大的弯曲☥🁠半径大,动量小的弯曲半径小。
如果同一种动量的离子进入磁场的角度存在偏斜🍚,导致它们共同聚焦在D的范围。那么D的范围与入射角的关系,经过计算可得到如下公式:DR/R≈0.5q2。
当q小于50时,R的相对误差是4/1000,🜩🄴可能引起的质量偏差为8/1000。而铀235与铀238的相对质量差等于13/1000,从而让质谱分离法的用于实际……”
李察读完,挑了挑眉毛。
这显然是一种很浅显易懂的方法,原理就是:质量不同而带电量相同的粒子,经过相同电压加速后动量不☦🁩同,从而导致进入磁场发生偏转的半径不同。
举个例子的话,这就像是轨道上😄行驶的火车,在一个弯道处,速度适宜的火车能够正常通过。而速度过快的火车,则因为受力不平衡,会带着车厢直接冲出轨道,导致出轨。
用这种方法,铀235便是速度合适的🆏🎠火车,铀238则是速度过快的火车,让两者得以分离,从而得到高纯度的铀235。
这种方法技术含量是相对较低的,因此地球上,1938年德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变,迈特纳和弗里施提出了核裂变的理🛸论解释。仅仅过了两年,也就是1940年4月,明尼苏达大学的尼尔,就用质谱仪制造📰🞤🖄出微量的浓缩铀235。
之后1942年,地球上首次制造核武器的曼哈顿计划开始,劳伦斯等🆔🏑🙗人,开始利用电磁型同🝛位素分离器进行提纯铀🄷235。