Question

【題目】（20分）對鈾235的進一步研究在核能的開發(fā)和利用中具有重要意義。如圖所示，質量為m、電荷量為q的鈾235離子，從容器A下方的小孔S1不斷飄入加速電場，其初速度可視為零，然后經(jīng)過小孔S2垂直于磁場方向進入磁感應強度為B的勻強磁場中，做半徑為R的勻速圓周運動。離子行進半個圓周后離開磁場并被收集，離開磁場時離子束的等效電流為I。不考慮離子重力及離子間的相互作用。

（1）求加速電場的電壓U；

（2）求出在離子被收集的過程中任意時間t內(nèi)收集到離子的質量M；

（3）實際上加速電壓的大小會在U+ΔU范圍內(nèi)微小變化。若容器A中有電荷量相同的鈾235和鈾238兩種離子，如前述情況它們經(jīng)電場加速后進入磁場中會發(fā)生分離，為使這兩種離子在磁場中運動的軌跡不發(fā)生交疊，應小于多少？（結果用百分數(shù)表示，保留兩位有效數(shù)字）

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）0.63%

【解析】解：（1）設離子經(jīng)電場加速后進入磁場時的速度為v，由動能定理得：

qU =mv2

離子在磁場中做勻速圓周運動，由牛頓第二定律得：

qvB=

解得：U =

（2）設在t時間內(nèi)收集到的離子個數(shù)為N，總電荷量Q = It

Q = Nq

M =" Nm" =

（3）由以上分析可得：R =

設m/為鈾238離子質量，由于電壓在U±ΔU之間有微小變化，鈾235離子在磁場中最大半徑為：Rmax=

鈾238離子在磁場中最小半徑為：Rmin=

這兩種離子在磁場中運動的軌跡不發(fā)生交疊的條件為：Rmax<Rmin

即：<

得：<

<

其中鈾235離子的質量m = 235u（u為原子質量單位），鈾238離子的質量m，= 238u

則：<

解得：<0.63%