孩⼦的快乐是简单的,只要⼀根树枝就能玩上⼀天,⼀个纽扣⼀根绳⼦就是⼀个⾮常棒的玩具。今天⼩编就来带⼤家做⼀个童年的⼩玩具,并且看⼀看这样⼀个简单的⼩玩具,是怎样应⽤到核能发电站当中去的。
实验器材螺丝⼑(或打孔器)、瓶盖、纸牌、细绳。实验过程第⼀步:⾸先我们⽤螺丝⼑在纸牌上打两个孔,⽤细绳穿过这两个孔。第⼆步:⽤⼿拿住细绳两端,使劲晃动纸牌让纸牌多转⼏圈。
转⼏圈之后可以发现绳⼦绕起来了,这时我们将绳⼦拉直,纸牌会在绳⼦中⼼转得⻜快,绳⼦此时好像有了弹性,可以拉动收放。第三步:重复⼏次收放之后绳⼦就拉不动了,效果不是很好,于是我们换成瓶盖再试⼀下。也是先穿绳。第四步:转动⼏圈之后就可以开始收放绳⼦。没有弹性的细绳此时仿佛变成了橡⽪绳,可以随意收放,瓶盖在中间“呜呜”转得⻜快,真是太好玩了。
原理解说对于绳⼦⽽⾔,因为材质以及⻓度等本征原因,其整体扭成的螺旋数量是有限的,如果超过这个限度,绳⼦就会出现第三个维度的扭结,⽽这个维度的扭结被称为超螺旋。然后⼤家可以联想⼀下弹簧的物理原理:压缩或拉伸弹簧会将赋予的能量转换为弹性势能,释放弹簧时,弹簧返回其平衡位置时,该能量会转换为动能。
对于这种“玩具”来说也是如此,通过绳⼦的扭曲螺旋来储存能量,同时因为超螺旋结构的存在,能够让其储存的能量⼤幅提⾼从⽽提供巨⼤的转速。有⼀点必须要提到,因为这个“玩具”,⼀名科学家Prakash甚⾄发布⼀篇nature⽂章:将这个“玩具”改造成纸质离⼼机,它和离⼼机的原理⼀模⼀样都是通过⾼速的旋转带来很⼤的离⼼⼒从⽽使不同密度的物质分层。
科学家Prakash提到其转速甚⾄可以达到每分钟12万转,这已经完全满⾜科学家所需要的离⼼机转速指标。
最后,我们刚刚明⽩了这个玩具和离⼼机的关系,那么离⼼机如何提取核电站所需要的铀?⽆论是造原⼦弹还是建核电站,我们都需要铀-235,⽽不需要它的同位素铀-238(铀-235有92个质⼦和143个中⼦,当它吸收中⼦之后便会产⽣裂变反应。
⽽铀-238有92个质⼦和146个中⼦,它吸收中⼦之后不会裂变,会直接变成有92个质⼦和147个中⼦所组成的铀239)。问题来了,铀-235与铀-238互为同位素,除了原⼦质量稍有差异,化学性质基本⼀样,所以我们很难⽤常⻅的办法将它们俩分开。但⾼速旋转的离⼼机就能够辨别出其微弱的质量差异从⽽将铀-235提取出来!