1945年8月6日,一枚10英尺长(3米)的炸弹从日本

日期:2018-09-18


    

这是有史以来第一次在战争中使用原子弹,它使用了一个着名的元素来破坏它:铀。这种放射性金属的独特之处在于,它的一种同位素铀-235是唯一能够维持核裂变反应的天然同位素。(同位素是在其原子核中具有不同数量的中子的元素的一种形式。)

要了解铀,了解放射性非常重要。铀天然具有放射性:它的核不稳定,因此元素处于恒定的衰变状态,寻求更稳定的排列。事实上,铀是使放射性成为可能的因素。1897年,法国物理学家亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)在照相板上留下了一些铀盐,作为光线如何影响这些盐的研究的一部分。令他惊讶的是,盘子雾化了,表明铀盐有某种排放。贝克勒尔于1903年与玛丽和皮埃尔居里共同获得诺贝尔奖。据杰斐逊国家直线加速器实验室称,铀的性质是:

图片来源:Andrei Marincas Shutterstock

原子序数(原子核中的质子数):92

原子符号(在元素周期表上):U

原子量(原子的平均质量):238.02891

密度:每立方厘米18.95克

室温下的相:固体

熔点:2,075华氏度(1,135摄氏度)

沸点:7,468 F(4,131 C)

同位素的数量(具有不同中子数的相同元素的原子):16,3天然存在

最常见的同位素:U-234(0.00腾讯分分彩信誉好平台54%天然丰度),U-235(0.7204%天然丰度),U-238(99.2742%天然丰度)

铀的历史

马丁·克拉普罗特,德国化学家,在1789年发现的铀,虽然它已被至少自AD 79,当正在使用作为着色剂用于陶瓷釉和玻璃中氧化铀知道关于根据Chemicool。Klaproth在矿物沥青中发现了这种元素,当时这种元素被认为是锌和铁矿石。将矿物质溶解在硝酸中,然后将钾盐(钾盐)加入剩余的黄色沉淀中。Klaproth得出结论,当钾盐和沉淀物之间的反应没有遵循已腾讯分分彩信誉好平台知元素的任何反应时,他发现了一种新元素。他的发现原来是氧化铀而不是他原先认为的纯铀。

根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的说法,克拉普罗斯在最近发现的行星天王星之后命名了新元素,天王星以希腊天空之神的名字命名。法国化学家Eugène-MelchiorPéligot于1841年通过加热四氯化铀和钾来分离纯铀。

1896年,法国物理学家Antoine H. Becquerel发现铀具有放射性。贝克勒尔在一块未曝光的照相板上留下了一块铀样品,它变得混浊。根据英国皇家化学学会的说法,他得出的结论是它发出了不可见光。这是第一次研究放射性并开辟了一个新的科学领域。波士顿科学家玛丽·居里(Marie Curie)在贝克勒尔发现后不久创造了放射性这一术语,法国科学家皮埃尔·居里(Pierre Curie)继续研究发现其他放射性元素,如pol和镭,以及它们的性质。

权力和战争

据世界核协会称,宇宙铀是在66亿年前形成的超新星。它遍布全球,占大多数岩石中百万分之二到四分之一。据美国能源部称,它是天然地壳岩石中含量最丰富的元素之一,是白银的40倍。

虽然铀与放射性密切相关,但它的衰变速度很低,以至于这种元素实际上并不是放射性更强的元素之一。铀-238的半衰期为45亿年。铀-235的半衰期仅为7亿多年。铀-234的最短半衰期均为245,500年,但它只是间接地从U-238的衰变中发生。

相比之下,放射性最强的元素是pol。它的半衰期仅为138天。

由于其能够维持核链式反应,铀仍具有爆炸性潜力。U-235是“裂变”,意味着它的原子核可以被热中子分裂 - 中子具有与周围环境相同的能量。根据世界核协会的说法,这是它的工作原理:U-235原子的原子核有143个中子。当一个自由中子撞击原子时,它会分裂原子核,抛弃额外的神经元腾讯分分彩信誉好平台,然后可以进入附近的U-235原子的原子核,形成一个自我维持的核裂变级联。裂变事件各自产生热量。在核反应堆中,这种热量用于煮沸水,产生蒸汽,使涡轮机发电,并且反应由镉或硼等物质控制,

在像摧毁广岛的裂变炸弹中,反应变得超临界。这意味着裂变以不断增加的速度发生。这些超临界反应释放出大量能量:摧毁广岛的爆炸具有估计15千吨TNT的能力,所有这些都是在不到一公斤(2.2磅)的铀经历裂变的情况下产生的。

为了使铀裂变更加有效,核工程师可以丰富它。天然铀只有约0.7%的U-235,即裂变同位素。其余的是U-238。为了增加U-235的比例,工程师要么将铀气化以分离出同位素或使用离腾讯分分彩信誉好平台心机。据世界核协会称,大多数核电厂的浓缩铀由3%至5%的U-235组成。

在规模的另一端是贫化铀,用于坦克装甲和制造子弹。耗尽的铀是富集铀在发电厂消耗后遗留下来的。根据美国退伍军人事务部的数据,它比天然铀的放射性低约40%。这种贫化铀只有在射击或爆炸时被吸入,摄入或进入人体才会危险。

谁知道?

根据原子遗产基金会的说法,只有1.38%的摧毁广岛的“小男孩”炸弹中的铀经历了裂变。炸弹中含有约140磅(64千克)的铀。

根据1980年国防核能机构的一份报告,“小男孩”炸弹在广岛上空引爆了1,670英尺(509米),只留下了位于世贸遗址零点半径范围内的几座钢筋混凝土建筑物的框架。火焰风暴摧毁了爆炸范围4.4英里(7公里)范围内的一切。

铀-238的半衰期为45亿年。它衰变成镭-226,后者又衰变成氡-222。氡-222变成pol -210,最终衰变为稳定的核素,铅。

玛丽居里曾与铀合作,发现了几种更多的放射性元素(pol和镭),可能会因她的工作中涉及的辐射暴露而屈服腾讯分分彩信誉好平台。她于1934年死于再生障碍性贫血,红细胞缺乏可能是由于她的骨髓受到辐射损伤。

纯铀是一种银色金属,可在空气中快速氧化。

铀有时用于着色玻璃,在黑光下会发出黄绿色 - 但不是因为放射性(玻璃只是最微小的放射性物质)。根据Collectors Weekly,荧光是由紫外光激发玻璃中的铀酰化合物,使其在光子沉降时发出光子。

黄饼是固体氧化铀。这是铀在富集之前通常出售的形式。

根据世界核协会的数据,铀在20个国家开采,其中一半以上来自加拿大,哈萨克斯坦,澳大利亚,尼日尔,俄罗斯和纳米比亚。

根据Lenntech的说法,所有人类和动物都会自然地接触食物,水,土壤和空气中的微量铀。在大多数情况下,一般人群可以安全地忽略摄入的数量,除非他们住在危险废物场所,地雷附近,或者如果作物生长在受污染的土壤中或用污染的水浇水。

目前的研究

鉴于其在核燃料中的重要性,研究人员对铀的功能非常感兴趣 - 特别是在熔化期间。当反应堆周围的冷却系统发生故障并且反应堆堆芯中的裂变反应产生的热量使燃料熔化时,就会发生熔化。这发生在切尔诺贝利核电站的核灾难期间,导致放射性斑点被称为“大象的脚”。

路石溪大学和布鲁克海文国家实验室的化学家和矿物学家约翰·帕里斯说,了解核燃料在融化时如何起作用对于建造安全壳的核工程师至关重要。

2014年11月,来自阿贡国家实验室和其他机构的Parise及其同事在“科学”杂志上发表了一篇论文,该论文首次阐明了核燃料的主要成分 - 二氧化碳熔化的内部运作。Parise告诉Live Science说,二氧化铀直到温度达到5,432华氏度(3,000摄氏度)才会熔化,所以很难测量材料变成液体时发生的情况 - 没有足够坚固的容器。

“解决方案就是用二氧化碳激光从顶部加热二氧化铀球,这个球悬浮在气流上,”Parise说。“你有这种物质悬浮在气流上,所以你不需要一个容器。”

研究人员随后通过二氧化铀气泡发射X射线,并用探测器测量这些X射线的散射。散射角揭示了二氧化铀内部原子的结构。

研究人员发现,在固体二氧化铀中,原子排列成一系列立方体,与空白空间呈网格状排列,每个铀原子周围有八个氧原子。随着材料接近其熔点,氧气变得“疯狂”,阿贡国家实验室研究员Lawrie Skinner在一段关于结果的视频中说。氧原子开始四处移动,填充空的空间,从一个铀原子到另一个铀原子。

最后,当材料熔化时,结构类似于萨尔瓦多·达利的绘画,因为立方体变成无序的多面体。Parise说,此时,每个铀原子周围的氧原子数 - 称为配位数 - 从8个减少到大约7个(一些铀原子有六个氧围绕它们,有些有7个,平均为6.7个每铀的氧)。

Parise说,了解这个数字可以模拟二氧化铀在这些高温下的作用。下一步是增加更多的复杂性。他说,核心不仅仅是二氧化铀。它们还包括诸如锆之类的材料以及用于屏蔽反应器内部的任何材料。研究小组现在计划添加这些材料,以了解材料的反应如何变化。

“你需要知道纯二氧化铀液体的表现如何,以便当你开始研究少量添加剂的影响时,你会发现它们有什么不同?” 帕里斯说。

绝大多数铀用于发电,通常用于受控的核反应。剩余的废物,贫化铀,可以回收利用其他类型的电力,如太阳能。一个2017年的专利由Igor乌索夫和米兰SYKORA,科学家在洛斯阿拉莫斯国家实验室,讨论了使用从核反应的贫化铀制造的太阳能电池。作者写道,贫化的氧化铀作为核燃料浓缩过程的剩余物是丰富且廉价的,并且可以通过控制厚度,铀/氧比,结晶度和掺杂来优化用作太阳能电池。

根据橡树岭国家实验室的Thomas Meek 2000年的一篇论文,二氧化铀是一种优秀的半导体,并且可能是对硅,锗或砷化镓的传统用途的某些用途的改进。在室温下,与相同用途的传统元素和化合物相比,氧化铀将提供最高的太阳能电池效率。

Rachel Ross,Live Science Contributor的补充报道

其他资源

美国能源部:铀快速事实

世界核协会:什么是铀?它是如何工作的?

元素图像:92 U铀