题目内容


对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示,质量为m、电荷量为q的铀235离子,从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场,其初速度可视为零,然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,做半径为R的匀速圆周运动。离子行进半个圆周后离开磁场并被收集,离开磁场时离子束的等效电流为I,不考虑离子重力及离子间的相互作用。

(1)求加速电场的电压U;

(2)求出在离子被收集的过程中任意时间t内收集到离子的质量M;

(3)实际上加速电压的大小会在U±ΔU范围内微小变化。若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子,如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离,为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠,应小于多少?(结果用百分数表示,保留两位有效数字)


【解析】(1)离子在电场中加速的过程中,由动能定理得:qU=mv2 ①(1分)

离子进入磁场后做匀速圆周运动,则:qvB=m ②(1分)

联立①②式解得:U= ③(1分)

(2)在t时间内收集到的离子的总电荷量为:

Q=It ④(1分)

这些离子个数为:N= ⑤(1分)

离子的总质量为:M=Nm ⑥(1分)

联立④⑤⑥式解得:M= ⑦(1分)

(3)由①②式得:R= ⑧(1分)

由于电压在U±ΔU之间有微小变化,铀235离子在磁场中运动的最大半径为:

Rmax= ⑨(1分)

设m′为铀238的离子质量,铀238离子在磁场中运动的最小半径为:

R′min= ⑩(1分)

两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠的条件为:

Rmax<R′min ⑪(1分)

即:< ⑫(1分)

解得:< ⑬(2分)

设u为原子质量单位,则:< ⑭(1分)

解得:<0.63%(1分)

答案:(1) (2) (3)0.63%


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