元素

92 铀 原子弹的元素

本文作者:漂泊

铀是第一种被发现具有放射性的元素,235U是制造原子弹的重要原料,也是核反应堆的重要燃料;238U被称为贫铀,常用于制造硬质合金,可以制造穿甲能力极强的贫铀弹。

铀的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪锕系金属
原子序号原子量 92 (238.029)
电子配置 5f36d17s2
密度 18.95 g/cm
熔点 772.5 oC
沸点 3745 oC
形状 银白色金属
半衰期 4.51×109年(238U)、7.09×108年(235U)、2.35×105年(234U)
发现者 Martin Heinrich Klaproth, Eugene-Melchior Peligot
主要的同位素 232U, 233U, 234U, 235U, 238U
用途例 原子弹、核反应堆、贫铀弹
前后的元素 镤-铀-镎

铀的发现

1789年德国科学家Martin Heinrich Klaproth在用硝酸溶解沥青铀矿时得到了一种黄色的沉淀物。他认为这可能是一种未知元素的氧化物。于是他将这种黄色的沉淀物与与木炭一起加热,得到了一种黑色的粉末,Martin Heinrich Klaproth认为这可能是一种未被发现的金属(实际上该黑色粉末是铀的氧化物)。于是他以1781年新发现的一个行星——天王星将这种新元素命名为Uranium,元素符号定为U。(天王星的名称来源于希腊神话之中的天空之神Uranus。)

1841年Eugene-Melchior Peligot证明了该物质是氧化铀,随后他用钾还原UCl4制备了金属铀。[1-4]

金属铀

铀与放射性现象的发现

1895年,伦琴发现了X射线,这引起了法国科学家贝克勒尔的兴趣,他决定开始研究X射线与天然磷光现象之间的关系。他以铀盐(K2UO2(SO4)2 )作为磷光物质,放在阳光下照射,然后把它拿进暗室,用黑纸包好,放进装有照相底片的抽屉中。结果密封的底片感光了。贝克勒尔认为磷光中可能含有X射线。为此,他准备重复几次实验进行确认。可惜天公不作美,一连几天的阴雨天,使的贝克勒尔难以完成他的实验。有一次,贝克勒尔把底片冲洗出来以检查纸包是否漏光,然而,令他意外的是,照相底片居然被感光了,而且感光影像正好是铀盐的像。磷光物质没见阳光,不会发出射线,也就是说,底片感光与磷光无关,底片的感光必定另有原因。经过反复实验,贝克勒尔发现只要把铀盐和照相底片放在一起,不管放在多黑暗的地方,底片都会被感光。基于此现象,贝克勒尔断定,铀盐能自发地产生一种射线,这种射线是不同于X射线的新射线,它同样可使底片感光。这是科学界最早发现的放射性现象,铀也是人们发现的第一个放射性元素。[1, 5]

原子弹

原子弹是目前为止人类使用过的威力最大的武器,也是最先制造的核武器。它是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。原子弹的基本原理是利用重原子核的裂变链式反应所释放的巨大能量来实现爆炸作用,它所释放的能量比一般的炸药要多的多。1938年,德国化学家Otto Hahn和物理化学家Fritz Strassmann发现了铀原子核裂变的现象,为原子弹的制造奠定了理论基础。

235U是制造原子弹的常用材料,但由于天然铀中235U的丰度很低,因此必须先进行浓缩铀的操作。235U原子约比铀238U原子轻1.3%,如果让这两种原子处于气体状态,235U原子就会比238U原子运动得稍快一点,通过这一点就可以分离这两种原子,这就是气体扩散法分离235U的基本原理——利用235U原子和238U原子的微小质量差异。这种方法首先要求将铀转变为气体化合物。UF6是唯一合适的一种气体化合物,它在常温常压下是固体,但很容易挥发,在56.4℃即升华成气体。235U的六氟化铀分子与238U的六氟化铀分子相比,两者质量相差不到百分之一,但这个差异已足以使它们分离了。六氟化铀气体在加压下通过一个多孔隔膜。含有235U的分子通过多孔隔膜稍快一点,所以每通过一个多孔隔膜,235U的含量就会稍增加一点,但是增加的程度是十分微小的。要获得几乎纯的235U,就需要让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜,从而实现浓缩235U。

当浓缩铀的体积或质量超过一定的临界值,就会实现原子弹爆炸。通过控制临界质量或临界尺寸可以很好的实现对于核爆的控制。两块均小于临界质量的铀块,相隔一定的距离,不会引起爆炸,当它们合在一起时,就大于临界质量,立刻发生爆炸。基于这一原理,研究人员设计了“枪式”结构的原子弹。1945年8月,美国投到日本广岛的那颗原子弹(代号 “小男孩”)采用的就是枪式结构。在具有该结构的原子弹中,一部分铀放在一端,而另一部分铀放在“炮筒”内,借助于烈性炸药,可以极迅速地将它们完全合在一起,造成超临界,产生高效率的爆炸。此外,为了减少中子损失,核装药的外面有一层中子反射层;为了延迟核装药的飞散,原子弹具有坚固的外壳。[6-9]

 

铀合金与贫铀弹

贫铀一般是指238U,它具有一定的放射性,但由于其半衰期较长,所以其放射性相对弱于铀的其他同位素。美国原子能标准委员会(NRC)将235U低于0.711%的铀定为贫铀。贫铀合金是一种非常优良的硬质合金:它密度大(铅密度的2倍,接近与钨)、强度高(钢强度的3倍),非常适合用于制造穿甲弹。因为铀易氧化,所以当贫铀弹击中坦克等装甲车辆后,撞击产生的高温会引发铀的燃烧,进而产生更高的温度,软化弹着点的装甲,降低装甲的强度,使穿甲弹破甲而入,形成较大的后破坏作用,杀伤乘员及破坏坦克的内部设备。此外,铀燃烧时产生的大量云雾状氧化铀尘埃还会沾染坦克等装甲车辆的表面,形成放射性污染源,对敌人造成放射性杀伤。总之,贫铀弹是一种破坏性非常大的放射性武器。

在海湾战争和科索沃战争中,美军大量使用了贫铀弹,造成了战场地区的严重铀污染,辐射强度骤然增大,无端患病者特别是血液病和癌症患者急剧增多。形成了众多污染区,威胁着数十万人的健康,也给参战士兵的健康造成了不良后果。

此外,贫铀还被用作某些用于存储和运输放射性物质的容器中的屏蔽材料。尽管金属本身是放射性的,但它的高密度使得它比铅更能有效地阻止强放射性源(如镭)的辐射。[10-12]

贫铀弹

参考文献

  • [1] Emsley, John (2001). “Uranium”. Nature’s Building Blocks: An A to Z Guide to the Elements. Oxford: Oxford University Press. pp. 476–482. ISBN 978-0-19-850340-8.
  • [2] Klaproth, M. H. (1789). “Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz”. Chemische Annalen. 2: 387–403.
  • [3] “Uranium”. The American Heritage Dictionary of the English Language (4th ed.). Houghton Mifflin Company.
  • [4] Péligot, E.-M. (1842). “Recherches Sur L’Uranium”. Annales de chimie et de physique. 5 (5): 5–47.
  • [5] “uranium”. Columbia Electronic Encyclopedia (6th ed.). Columbia University Press.
  • [6] “Uranium Enrichment”. Argonne National Laboratory. Archived from the original on 24 January 2007. Retrieved 11 February 2007.
  • [7] Diehl, Peter. “Depleted Uranium: a by-product of the Nuclear Chain”. Laka Foundation. Archived from the original on 13 January 2013. Retrieved 31 July 2009.
  • [8] Seaborg, Glenn T. (1968). “Uranium”. The Encyclopedia of the Chemical Elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. pp. 773–786. LCCCN 68-29938.
  • [9] Helmreich, J.E. Gathering Rare Ores: The Diplomacy of Uranium Acquisition, 1943–1954, Princeton UP, 1986: ch. 10 ISBN 0-7837-9349-9
  • [10] “Uranium”. The McGraw-Hill Science and Technology Encyclopedia (5th ed.). The McGraw-Hill Companies, Inc. 2005. ISBN 978-0-07-142957-3.
  • [11] “uranium”. Encyclopedia of Espionage, Intelligence, and Security. The Gale Group, Inc.
  • [12] “Development of DU Munitions”. Depleted Uranium in the Gulf (II). Gulflink, official website of Force Health Protection & Readiness. 2000.

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