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说影响当今战争与和平的化学元素——铀(上)

已有 3836 次阅读 2019-7-10 08:29 |个人分类:科教与社会|系统分类:科普集锦| 放射性, 核裂变, 能量, 伊核协议, 浓缩铀

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“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

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,

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,

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)

 

 




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