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说影响当今战争与和平的化学元素——铀（下）: 热度 5 fdc1947 2019-7-14 08:00; 说影响当今战争与和平的化学元素 ——铀（下）由于铀元素的两种主要同位素中只有铀 235可以进行核裂变反应，而在天然铀中铀235只占0.72%，99.27%是不能够发生链式反应的铀238。因此，很多情况下需要将铀235富集，这就是所谓浓缩铀。浓缩铀的过程，就是使铀 235与铀238分离，这不是一件很容易做的工作。因为铀235与铀238是同一种化学元素，它们的化学性质完全相同，物理性质也很相似，难以用化学反应的方法或通常的物理方法把二者分开。它们的区别只有在铀235的原子核中比铀238少了3个中子，质量略微轻了一点点。现在把它们分离的办法，许多国家都采取离心分离法。大家都知道，两种混合的流体，比如油和水，静置一段时间，由于密度的不同，就会分层。如油水混合物静置后，较重的水在下层，较轻的油在上层。有些流体混合得很好，如牛奶、血液等，虽然也有分层的倾向，但是，分离的速度很慢，慢到常常使得我们等不及。这是因为物质微粒有不规则的扩散运动，抵消了很大一部分因重力而引起的向下运动。但是，如果相对来说重力很大，下降和分离就会快得多。怎么能够增加重力呢？地球的质量是固定的，物体和地球之间的距离也不能改变，增加重力似乎是一个不可能的问题。但是，办法还是有的。我们坐电梯时突然上升，就有一个 “超重”的过程。火箭发射时，将“超重”很多倍。但是，那样的超重难以持久。一个可以持久的办法就是旋转，快速旋转所产生的离心作用就相当于增加了重力加速度。我们看宇航员训练时，坐在高速旋转的设备上，获得好几个G的重力加速度。宇航员受了这样的训练，就可以适应火箭发射时的“超重”。在化学实验室里，为了使得悬浊液中的各种成分迅速分离，让沉淀物快速沉淀，都利用了离心机。同样，在医院里化验血液时迅速分离和沉淀，也是用同样的离心机。装着样品的试管，放在离心机上，呼呼一转，各种成分就分开了，拿出试管一看，重的沉底了，轻的浮上面。要把铀 235和铀238分离开来，也是用这样的原理。当然，分离铀的气体离心机绝不是我们化学实验室或医院的离心机。只是应用了相同的离心原理罢了。它们完全不是一码事情。为了分离铀 235和238，首先要把氧化铀制成六氟化铀。当然，由于两种铀的化学性质完全一模一样，这些六氟化铀中有铀238形成的六氟化铀，一开始占99.27%，也有铀235形成的六氟化铀，只占0.72%。六氟化铀在不很高的温度下就是气体。当六氟化铀气体进入高速旋转的离心机时，由于旋转产生的离心作用，略微重一些的铀238在外壁附近更多些，而在临近转轴的区域，铀235的成分会比外壁附近略多一点点。把临近转轴附近区域的气体导出进入下一个离心机，再一次进行这样的分离。经过这样一次又一次的分离，最后得到的气体中，铀235的含量就会比一开始导入的气体中高出一些。由于铀 235与铀238的质量只相差很少一点，所以，这样的分离很是困难，将耗费大量的电能。需要许许多多离心机，工作很长的时间。我们在媒体上经常看到，说某国有了多少台离心机。使用离心机的数量往往反映了他们分离同位素铀的能力。另一种更加 “经典”一点的分离办法是气体扩散法。它的原理也很简单，在温度一定的稳定气体系统里，由于各个分子之间在不断的碰撞，所以每一个分子的动能基本上是相同的。而根据在中学物理中最熟悉的动能公式，动能 = 1/2mv 2 ，其中 m是质量，v是速度。如果两个粒子有一样多的动能，那么质量m较小的粒子速度v就会大一些。这样，在六氟化铀的气体中，略轻一点的六氟化铀235的扩散速度就会比六氟化铀238的扩散速度大一点。这道理有点好像我们用同样的锤子一样的速度去敲打一个木球和一个铅球，木球会滚得更快一样。但是，毕竟铀235与238的差别很小，这种扩散法需要很大的设备，耗费的电能非常大。最早的核大国都用这个方法分离，但是这种方法因为耗能太大，据说现在已经不大用了。制造核武器需要高浓度的浓缩铀，用在核电站实际上并不需要这样做，只需要低浓度的浓缩铀甚至不经浓缩的天然铀。最早也是曾经用的最多的核反应堆就是用天然铀作核燃料的。这种反应堆用石墨做中子慢化剂，称作石墨堆。为什么要用中子慢化剂呢？因为铀 238虽然不能直接裂变，但是它仍然会吸收中子，用天然铀，铀235裂变产生的盈余中子可能会被铀238吸收，链式反应就无法进行了。但是，人们发现，铀238吸收慢中子的能力很差，当铀235裂变产生的快中子经过石墨之后，就变成了慢中子。这样，有了中子慢化剂之后，铀238就难以起到阻碍作用了，链式反应又能够顺利地进行。水也可以做中子慢化剂，这样的反应堆就是 “轻水堆”，当然，这里的轻水是相对于所谓重水而言的。重水也是水，也由一个氧原子和两个氢原子组成的，不过那里的氢原子是重氢（即氘，其原子核里一个质子两个中子）。重水也能够做中子慢化剂，而且慢化程度更好，但是，其价格要贵得多。由于轻水（普通水）的中子慢化能力差，这样，轻水反应堆就不能用天然铀做核燃料了，而需要用浓缩铀。现在轻水堆很多，一般都用3%左右的浓缩铀。这些浓缩铀材料现在一般都在国际社会的严格检查和控制之下。年龄略大一点的朋友可能会记得，在上世纪 90年代，美国人曾经提出，让日本人给朝鲜人提供两座轻水堆，换得朝鲜人废除自己落后的反应堆。这是什么道理呢？原来石墨堆（朝鲜人所拥有的就是这样的石墨堆）里面还有另一个核反应：铀 235裂变产生的快中子，有一些会被铀238吸收，铀238吸收一个中子后会放出一个电子，变成镎239，接着再放出一个电子，变成了钚239。钚 239可是一个了不得的东西，它也能够跟铀235一样发生裂变，当然就也能够造原子弹。1945年，美国在日本扔了两颗原子弹，广岛的那一颗是铀弹，长崎的那一颗就是钚弹。在用天然铀做燃料的石墨反应堆，也能够产生钚这个“副产品”，这是一个非常厉害的东西。所以，在六方会谈时，美国人提出用相对容易得到国际控制的轻水堆换取朝鲜停止和拆毁自己的反应堆。当然，后来由于许多复杂的原因，这件事情没有成功，朝核问题搞得越来越复杂。最后弄得现在这样难以收拾，国际上的事情真是“麻烦得很”。所以，铀 238不是不能做核燃料，只是需要“拐一个弯”，略微麻烦一点罢了。为了能够把铀238利用起来，人们设计了“快中子增值反应堆”，简称“快堆”。这种反应堆不用中子慢化剂，用快中子把铀238变成钚239，然后使钚239再吸收中子产生裂变，放出能量和更多的中子。这种反应堆不但能够放出能量，而且能够使钚239越来越多，即“核燃料”越来越多，这就是所谓“增值”。当然，这里 “增值”的核燃料并不是凭空得到的，而是由铀238转化而得的。这样，不但能够使天然铀中的铀238有了用处，而且可以用轻水堆、重水堆的“乏燃料”作为“快堆”的燃料。这样做就可以更合理地利用核燃料。核燃料的处理是非常麻烦的事情，例如钚 239不但有放射性，而且剧毒。更重要的是像铀、钚这些物质，非常危险，必须严加看管，一旦落到反人类的恐怖分子手里，那后果不堪设想，将给世界人民带来巨大的灾难。在如今的世界上，只有大国，才有能力对于这些危险的核材料进行严格的控制和保存。在这一点上，世界各大国的立场是接近的，这也是如今各大国一致反对核扩散的基础。严格控制核材料，坚决反对核扩散，对于这一点，各大国的共同立场符合全世界老百姓的利益。我们每一个人都应当拥护这个核不扩散的体系，必须自觉遵守国家的各项规定。; 个人分类: 科教与社会|10897 次阅读|10 个评论

角动量守恒定律下的离心机: 热度 2 laserdai 2018-3-13 07:30; 题记：不小心卷入一桩案子，是关于生物学和医学学生如何正确操作与使用离心机的案子，这件案子还居然引发研究生和导师之间莫大的争议甚至争吵。其实这事情的物理学原理非常简单， 1900 年大清帝国还健在的时候西方国家都已经彻底解决了，而今都 2018 年了某个古老的神圣帝国中还在因为这件鸡毛蒜皮的事情大伤脑筋，大伤元气，大伤和气。唉！说多了都是泪！还是直奔主题吧。围绕一个轴旋转的物体具有角动量，理想情况下质量为 m 小球被一个无质量的绳子拉住绕轴转动，如下图所示。这里角动量用 L 描述，等于半径 r 和动量 P 的乘积，动量 P 等于小球的质量 m 和运行速度 V 的乘积，这里 r 和 m 是标量，只有大小没有方向性，而 L ， P ， V 都带有方向性，是矢量， L ， P ， V 的方向和半径 r 垂直，是切线方向。角动量守恒定律是指系统所受合外力矩为零时系统的角动量保持不变。如果有多个物体绕轴旋转的时候， L= L1+ L2+ L3+ *** +Ln= 0 ，可知角动量不随时间变化。如果 L 不为零，如果轴是固定的，那么旋转时候 L 的大小不会变，但是方向就是一直变化了；如果轴不是固定的，整个系统就要飞出来了。这是角动量不守恒。角动量守恒实质上对应着空间旋转不变性。例如，当考虑到太阳系中的行星受到太阳的万有引力这一有心力时，由于万有引力对太阳这个参考点力矩为零，所以他们以太阳为参考点的角动量守恒，这也说明了行星绕太阳公转单位时间内与太阳连线扫过的面积大小总是恒定值的原因，因此夏天时候地球距离太阳近的时候公转快，冬天离地球远的时候公转慢（注意，地球自转速度可是恒定的，即一天 24 小时是固定的）。空间旋转不变性，就是群论中的旋转对称轴， C2 ， C3 ，，， Cn 。 C2 意思是旋转一周重合两次，如扁担按照中心旋转； C3 表示旋转一周重合三次，如等边三角形沿着中心旋转（如果沿着某个角的顶点转转就是 C1 轴）；这样，长方形最高有 C2 轴，正方形具有最高的 C4 轴，六边形具有 C6 轴，圆具有 Cn 轴，这里的 n 是多大，不知道，应该是无穷大。这就轮到说说离心机了。假定离心机有 24 个试管孔，因为 24= 2X2X2X3 ，那么这个系统具有的旋转对称轴是， C2 ， C3 ， C4 ， C6 ， C8 ， C12 ， C24 ，根据角动量守恒原理，能够放入的试管数目可以是 2 ， 3 ， 4 ， 6 ， 8 ， 12 和 24 ，这就是最优方案。这些足够日常使用了。考虑到试管和孔的总和是 24 ，根据互补性，也可以放入 22 ， 21 ， 20 ， 18 和 16 个试管，余下的孔也充分满足上面的旋转对称性。这是次优的答案，不建议经常使用。因为此时试管数目众多，难免液体质量有不够准确，高速运行时就会有扰动，产生进动（陀螺效应），对轴产生偏心的拉力，长此以往，轴会很快损坏。还有几个数， 10 和 14 的有些排列满足 C2 对称性， 9 和 15 的有些排列满足 C3 对称性，但是此时较大质量的液体沿圆周分布太不均匀，一定会产生进动效应，常用很快把离心机的轴磨坏，因此不是正确答案。剩下的几个数字， 1 ， 5 ， 7 ， 11 ， 13 , 19 和23 无论如何都不能摆放成为旋转对称性，是严格禁止的。另外，使用离心机的时候，所有试管要尽量质量一致，内含液体也要尽量质量一致（一般假设他们密度相同因此体积要求相同也就是液面高度等同。）实际上，再精细也会有误差，就是这些小小的误差，在离心机高速转动时候产生陀螺效应，增加轴的磨损，最后离心机损坏，那就要换新的了。还有其他数目的试管孔的离心机，比如 6 孔， 8 孔， 12 孔，甚至 25 孔， 30 孔，按照以上原理分析就能得出最佳答案。如果有学生按照重心的平衡原理摆放试管，离心机静止的时候是完美的，运行起来就需要满足角动量守恒了。; 个人分类: 科普|10499 次阅读|2 个评论

斯韦德贝里和超速离心机: kejidaobao 2012-3-7 15:01; 文/白欣，王洪见，冯晓颖 1926年的诺贝尔奖颁奖大会可谓胶体化学的盛典。该年，诺贝尔化学奖、物理学奖都授予在胶体领域内工作的科学家。由于一切生命体的大部分由有机胶体组成，胶体研究对于生理学和医学的重要性是十分明显的，此外，胶体在化学工业的许多部门中也起着重要作用。而胶体研究之所以能够在这些领域中大显身手，超速离心机的发明功不可没，1924年超速离心机的研制者斯韦德贝里因此而获得1926年诺贝尔化学奖。胶体化学的历史从1861年开始，其创始人是英国科学家格雷厄姆，他首先提出新的物质分类方法，将所有物质分为两大类——晶体和胶体。1903年，德国科学家席格蒙迪与西登托夫一起研制成功超显微镜，可以观察到一亿分之一米的任何微粒的形状，证明了胶体溶液是介于粗粒悬浮液和普通溶液之间的一种中间状态。席格蒙迪先驱性的超显微镜研究，阐明了胶体溶液的多相性和创立了现代胶体化学研究的基本方法，使他荣获了1925年的诺贝尔化学奖。超显微镜的发明虽然为胶体研究奠定了坚实基础，但仍然存在一些局限性。第一，超显微镜揭示最小粒子仅限于容易进行光学观察的对象。第二，超显微镜对于那些不同大小粒子出现在一个或相同的胶体给出的信息不完整，不能确定粒子大小的分布。而微粒这些信息在自然界中起着最重要的作用，有关这些粒子的大小及分布状况的研究至关重要。 1911年，斯韦德贝里和埃斯楚甫证明，通过测量单个粒子在溶液中运动的摩擦力，可以确定粒子大小的分布。这种摩擦力可以用超显微镜的液滴实验和测量布朗运动来测定。1916—1917年，奥登用他自己设计的自动记录天平成功地找到了确定粗粒分散系统粒子大小分布的精确的方法。这一方法为解决确定一般分散系统中粒子大小分布的问题迈出了重要的一步。不过，重力场中的沉降分析显然只能用于含有比重大的较大粒子的分散系统。为了能够研究实际胶体，场力必需增大好几千倍，这可以通过使溶液处于高速旋转即通过离心作用来达到。在这种情况下，唯一可用的观察方法只有光学方法。1923年，在斯韦德贝里逗留威斯康星大学期间，和尼克尔斯设计了一台离心机来研究粒子大小的分布。通过对旋转中的溶液进行拍照来观察浓度的变化。由于所获得离心力仅是重力的150倍，因而只能研究分散程度较低的胶体。1924年，斯韦德贝里和林德成功设计了一台产生的力场高达重力场的7000倍的离心机（最大转速约为12000 r/min）。这台称之为超速离心机的装置可以确定粒子的大小和那些在超显微镜中看不见的粒子大小分布。经证明，该离心机对分散程度稍高的胶体沉降速度的研究和对分散程度极高的胶体以及具有高分子量的晶体的沉降平衡的研究都非常适用。 1925—1926年，在安德松医学研究基金和诺贝尔化学基金的资助下，斯韦德贝里和莱斯霍尔姆制造了一台新的超速离心机，可以在高达重力场10万倍的力场中（最大转速约为42000转/min）进行溶液研究。用这台超速离心机，并借助精心设计的实验，可以观察到高速旋转的溶液中粒子的连续分布，并用照相技术将其记录下来。从这种分布中不仅可以计算出溶质的分子量，还可以研究整个范围的胶体，包括最小的微粒，甚至能稍稍深入实际的分子溶液。因此，这就保证了可以进入一个具有高分子量的物质研究领域，如有机生命必需的某些蛋白质及与其相关的其他物质，血红蛋白、蛋白质、淀粉等。1940年，斯韦德贝里发明可产生30万倍于重力加速度的超速离心机，可直接测定从几万到几百万大小分子量、并可测出分子量的分布。高分子化合物分子量测定方法的出现，对高分子化学和胶体化学是一个很大的推动。离心研究对象的另外一个领域是蛋白质。研究内容是用沉淀平衡和测量沉降速度的方法来确定蛋白质分子量。用离心法对高分散胶体和其他性质相同的溶液进行研究的结果清楚表明，用这种方法，可逐步收集像蛋白质、聚合碳氢化合物（如橡胶）、聚合碳水化合物（如淀粉）等这些在医学上和技术上十分重要的物质的大量有价值的信息。为了表彰斯韦德贝里在分散系统方面所做的贡献，瑞典皇家科学院决定授予他1926年诺贝尔化学奖。斯韦德贝里不仅执胶体研究之牛耳，在其他科研领域也兴趣盎然，在核化学及放射生物学方面，做出了较大的贡献。他爱好非常广泛，与著名诗人奥古斯特·斯特林堡（被誉为瑞典的但丁）是很好的朋友，同时还是一个优秀的业余水彩画家。有一次因为他的实验室需要一个窗帘，挑选了许多总不满意，于是他决定自己设计一幅窗帘。斯韦德贝里最终设计了两款与众不同的带有鲜明个性的作品：一款图案是果蝇的DNA，另外一款灵感源自原子物理世界，原子被印在了结实耐用的纯细麻布上。参考文献陈宗淇, 杨孔章. 胶体化学发展简史 . 化学通报, 1988(6): 56-59. 姜璐主编. 诺贝尔奖讲演全集(化学卷Ⅰ) . 福州: 福建人民出版社, 2003: 461-485. （责任编辑王芷）; 个人分类: 栏目：科技纵横捭阖|3689 次阅读|0 个评论

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