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第899章 铀元素的终极提纯(科普章节,不喜可跳订)

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。

……

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v2R。

所以,能导出:qBv=Mv2R→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=(12)Mv2。

前面已知粒子的动量Mv=qBR,两式消去v,即得M=qB2R22U。

对于质量等于(M+DM)的粒子,(M+DM)=qB2(R+DR)22U。

由此可得出DMM=2DRR,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:DRR≈0.5q2。

当q小于50时,R的相对误差是41000,可能引起的质量偏差为81000。而铀235与铀238的相对质量差等于131000,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。

这是一种经过论证的方法,是完全可行的。

不过,它也有一个小小的问题。

那就是投入太大。

在地球上的曼哈顿计划中,为了用这种方法提纯铀235,特意在橡树岭建造一座超级电磁装置。投入人力近25000人,分离器超过1100台,光是绕制线圈用的银就有15000吨之巨。

15000吨!

而得到的结果,只是每天仅仅生产几克铀235,用了数年时间,得到的铀235数量,才刚刚能够制造一枚原子弹而已。

李察抿嘴。

他现在可没有数万人的手下,也没有一万五千吨白银,真的想要用这个方法生产,他得先解决前置条件。

如果这是唯一的方法,他也许真的要考虑提前创建私人势力了,不过还好,这并不是唯一的方法,他还有其他的选择。

继续往下看。

“铀235提纯的第二种方法,是气体扩散法。

顾名思义,这个方法应用的原理,是常见得气体扩散。

举一个例子,在卧室一角洒一滴香水,香水分子会快速扩散,不一会整个房间都能闻到香水得气味。

而把一滴香水替换成一滴醋,在相同条件下,撒在卧室得同一角落,想要整个房间都能闻到醋味,所需要得时间要更长。

这是因为,醋分子要比香水分子重,因此扩散速度慢。

相对应的,在一个气球中装满氢气(相对分子质量为2)和氮气(相对分子质量为28,是氢气得14倍)。当气球漏气时,氢气要比氮气泄漏得更快,因为氢气分子小,重量更轻。

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