说影响当今战争与和平的化学元素——铀（上）

近些年，有一种化学元素是媒体上的常客，那就是铀。提起铀，很多人都会有一些恐惧，虽然还没有到谈“铀”色变的程度，总是觉得那东西挺危险的。人们不但会想起原子弹，也会想起它的放射性。

其实，一般而言，铀元素本身的放射性并不算大，我们只需要看看它在地壳中的含量就知道了。化学元素的所谓放射性，是与该元素的原子核的变化有关系的。一个原子核发出射线，它自己也就变掉了。所以，在自然条件下，放射性很强的元素，在地球上的含量不会多，因为在悠长的地质年代中，天然放射性很强的元素都变掉了。铀在地壳中的丰度在所有元素中占50位左右，与我们经常用到的锗、砷、溴、碘等元素相仿佛还略多一点，而比银、汞、金等元素的丰度要多许多。在铀元素中含量最高的两种同位素中，占99.275%的铀238的半衰期是45亿年，也就是说，要过45亿年才有一半的铀238原子变掉了，占0.72%的铀235的半衰期也要有7亿年。所以，天然铀的放射性并不很强，人们曾经把含铀的化合物作为玻璃的添加原料之一，用来烧制色彩漂亮的铀玻璃，也作为烧制陶瓷的釉料。当然，这里所说的只是放射性不很强，但仍然是必须防范的，不能长时间接触，特别是不能让它进入体内。

从中学的教科书中，我们就知道，铀是一个金属元素，原子序数92。许多书籍都说“铀是地球上自然存在的最重的元素”，对于这句话需要解释以下三点：

第一，所谓最重的元素，是指单个原子的质量，并不是指宏观金属的密度。拿铀的含量最多的同位素铀238来说，它的原子核中间有92个质子、146个中子，所以它的质量是238个原子质量单位（电子的质量只有质子的1/1836，所以一般说原子质量时，可以不管电子）。这可以说是地壳中质量最大的原子了。而金属铀的密度是18.95克/立方厘米，虽然也是最重的金属之一，但是其密度比金（19.32）还略小，更小于最重的锇（22.59）铱（22.56）铂（21.45）。

第二，这里所说的是说自然存在的元素，并不包括人工制造的元素。原子序数大于92的元素，习惯上称为超铀元素，它们的原子质量差不多都比铀原子重，但是基本上都是人工制造的。

第三，在有些铀矿里，人们发现了自然存在的极少量的镎（93号元素）和钚（94号元素），他们的原子比铀还重，但是量实在太少。现在各国所拥有的钚，都是反应堆里核反应的产物。

所以，上面所说铀是地球上自然存在的最重的元素，这种说法并不十分严格，只是“一般可以说”，马马虎虎的说法。

为什么原子最重，而宏观金属的密度不是最大呢？金属是由金属原子一个挨着一个组成的，除了挨着的方式不同，有的密一点有的稀一点之外，也跟原子的大小有关。铀元素原子核外有92个电子，而锇、铱、铂、金的原子核外分别只有76、77、78、79个电子，因此铀原子的“体积”比锇、铱、铂、金的原子大，这样一来，金属的密度就略小于锇、铱、铂、金。

铀元素是1789年由德国化学家克拉普罗特（M.H.Klaproth）发现的。其英文名为Uranium，这个词来自古希腊的天神乌拉诺斯（Uranus）。在希腊神话传说中，这是主神宙斯的祖父和前两代的主神。乌拉诺斯被儿子克洛诺斯推翻，后者又被自己的儿子宙斯推翻。在铀元素被发现前不久的1781年，新发现的一个行星，这在当时是一件大事，该行星就以Uranus命名，中文译为天王星。铀元素也就用它命名了。元素符号是U。

中文的铀是Uranium的音译。铀这个汉字，汉代就有，意思是头盔，读音是zhou4，与宙一样。不过，历史上极少有人用它，到了清代，差不多已经是一个“废字”了。于是就“废物利用”，拿来作为Uranium的汉译，并改变其读音为you2。

1896年，贝克勒耳发现了铀盐的天然放射性。人们发现，铀238可以放出一个阿尔法粒子而衰变为90号元素钍234，又接着放出一个贝塔粒子而转变成91号元素镤234，如此衰变下去，最后一直变到82号元素铅。这就是放射性衰变。衰变从原则上也放出大量的能量，但是这样的衰变实在是进行得太慢了，无法利用这样的能量，正如上面已经说过的，要把铀238衰变掉一半，需要45亿年之久。

人们又想，既然放射性衰变可以使重元素放出阿尔法粒子等变成较轻的元素，是否可以把小的粒子加到原子核中去，使得原子核变得更重从而合成自然界不存在的更重的“超铀元素”呢？用阿尔法粒子肯定不行，因为原子核带正电，阿尔法粒子也带正电，巨大的排斥力使的阿尔法粒子不能接近作为“靶子”的原子核。人们想到了中子，因为中子不带电荷。这是发生在20世纪30年代的事情。

用中子轰击铀，果真产生了新的原子核，大家很兴奋，以为合成了新的“超铀元素”。是什么元素呢？人们怎么解释也不通。研究了好几年，人们才搞清楚，原来，轰击得到的物质并不是人们原先期望的比铀更重的原子，而是把铀235的核打碎了，而且引起质量的损耗，根据爱因斯坦的公式E=MC²，放出了极其巨大的能量，这就是核裂变。一克煤炭燃烧能够放出30千焦能量，而一克铀235裂变放出的能量为8千万千焦，是燃烧煤发热的267万倍。核裂变开创了人类利用能量的一个新纪元。这件事充分说明，科学实验并不是总可以准确地预测其结果的，失之东隅收之桑榆的事情时有发生。

用中子把铀235核打碎了，碎片有很多种，其中有几个反应很有意思，一个中子把一个铀235打碎，碎片除了两个较轻的核以外，还有多个中子。例如

铀235 + 1个中子，生成56号元素钡144和36号元素氪89以及3个中子，

铀235 + 1个中子，生成54号元素氙140和38号元素锶94以及2个中子，

铀235 + 1个中子，生成51号元素锑133和41号元素铌99以及4个中子。

类似这样的反应具有极大的意义，因为反应产生了盈余的中子，这就使得反应能够自发地继续不断地进行下去，产生所谓链式反应。如果链式反应快速进行，就会迅速爆炸，就是原子弹。

由于铀元素中只有铀235可以进行这样的核反应，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。这就需要把那极少量的铀235提纯出来。另一方面，即使得到了较高浓度的铀235，如果铀235太少，反应中盈余的中子也会从材料中逃逸出去损失掉，使得链式反应无法进行，这就需要原子弹中有足够多的铀235才行（大概需要10公斤，这个量称为发生连锁反应的临界质量）。因此，人们为了制造原子弹，就必须将铀235富集起来，这就需要一个浓缩铀的过程。

所谓浓缩铀，并不是使得铀元素的浓度提高，而是使得铀元素中铀235的百分比（或者称丰度）提高。因此，浓缩铀的过程，就是使铀235与铀238分离，把大量的铀238取走，剩下铀235，使得产品中铀235的丰度不断提高。

一般认为，3%～5%的浓缩铀，即样品中含3%～5%铀235，对于作原子能反应堆的燃料就可以胜任了。如果要做核武器原子弹，那就需要90%以上铀235的浓缩铀。前些年经过艰苦谈判达成的伊核协议，规定伊朗只生产3.67%的浓缩铀，就是既保证了伊朗发展和平使用核能的权利，又防止了核扩散生产核武器的危险。可是，特朗普政府单方面退出了伊核协议，就使得该地区和全世界的和平与社会发展处于危险的状态之中。

（未完待续）