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化学元素中的铀与镎


实验室k / 2018-12-15

       谈到铀,就不能不知道第一颗在愤怒中使用的核武器就是一颗铀裂变炸弹,它是在美国新墨西哥州的沙漠深处秘密制造的,并在日本本州岛上的城市广岛上空引爆。中国的长城和美国的阿波罗登月都是伟大的事业,但是以对于我们整个星球的不可逆转的后果以及当初试图实现目标的信心的飞跃来衡量,还没有一件人工制造的东西可与曼哈顿计划相比拟。

铀的基本数据

       曼哈顿计划共制造了三颗原子弹,于1945年7月15日在美国阿拉莫戈多进行了第一次成功的实验,其代号“三位一体”(TRINITY)。没有进行更多次实验的原因可能是因为参与研制的科学家非常自信,也可能是他们只有够制造三颗炸弹的铀-235,这是所有核秘密中受到最严格保护的秘密之一。21天后,“小男孩”在广岛爆炸,3天后,以钚为主要成分的更为复杂的“胖子”落到了长崎市的上空。

       人类能否幸免于原子弹的发明所造成的毁灭还是一个有待解决的问题。

       虽然核武器在战争中只使用了两次,但铀本身在现代世界战争中已经成为老生常谈。天然存在的铀元素含有99.28%的铀-238和0.71%的铀-235。这两种同位素都是放射性的,但只有铀-235可以用来制造裂变炸弹。在把铀加工用来制造炸弹时,大约2/3的铀-235被取了出来。剩下的东西就称为“贫铀”,或简写为DU。

       贫铀被广泛使用不是由于它的放射性,而是因为它是一种极为坚硬、密度极高的金属,可用来制造优良的穿甲弹弹头。钨(74)的密度与之相似,也可以用于同样的目的。但如果你是一个核国家的政府,你拥有大量在制造核炸弹中剩余的贫铀,你会怎么做?而且贫铀还有一个在受到冲击的时候会着火的优点。

       当不涉及死亡时,铀可以在eBay或者从全世界的古董收藏家的厨房中找到。1942年之前的Fiesta牌盘子和碗(由美国西弗吉尼亚州纽厄尔的霍默・拉芙琳瓷器公司制造并销售的系列单色上釉餐具),特别是那些橙色的,在釉彩中都含有一些铀,在几英尺的距离外能够使盖格计数器(用来测量放射性的一种仪器)发出响声。用它们来盛东西吃可不是什么好主意,与其说是由于放射性(铀的放射性属于害处相对比较小的阿尔法射线),不如说是因为铀像铅一样是一种重金属毒物,在和酸性食物接触时,铀会从釉彩中泄漏出来。

       私人拥有多达15磅天然铀(或者第90号元素钍)是完全合法的,因此可以合法地广为销售、使用和收藏有放射性的Fiesta牌餐具。

       在离开铀的时候,我们要向天然存在的元素说声再见。此后的元素,它们在地球上存在只是因为人类乐于让它们存在——我们要在原子反应堆中制造它们。这一系列新品种中的第一个是镎。


       你可能已经注意到一个情况:在镎之前的9种元素都是放射性元素,原子序数为奇数的元素的半衰期都极短,为偶数的元素的半衰期都要长得多,有些长达数十亿年。这一趋势持续到锫(97),其原因在于质子和中子在原子核中的排列方式。就像惰性气体的化学性质极其稳定是因为它们拥有的电子数目正好可以形成完整的外层电子层一样,这个范围的偶数元素的原子核也拥有恰当的质子和中子数目,可以形成结构稳定的原子核。

镎的基本数据

       另一个情况是,第92、93、94号元素都是用行星的名字命名的。这一做法是从铀(92)开始的,它在1789年用天王星的名字命名(铀(uranium)是按天王星(Uranus)的名字命名的,而镎(neptunium)是按海王星(Neptune)的名字命名的),天王星的发现比铀要早8年。(当我们考虑到放射性这一现象直到1895年才被发现,即比铀的发现晚了100多年时,铀在1789年就被发现这件事确实令人担忧。在整个那一段时间里,人们绝对不知道铀是一种和其他已知的元素极其不相同的东西——它会从容器中跳出来并咬你一口。)

       镎是第一种超铀元素,于1940年在加利福尼亚大学伯克利分校发现。按照惯例,铀被认为是最后一个天然存在的元素,但事实上,由于铀的衰变所触发的核副反应,在含铀的矿石中应该存在极小量的镎。

       目前还没有发现镎有多大用途,但几乎可以肯定的是,在你家里一定会有一些镎。因为标准的家用烟雾报警器要使用很少量的镅(95)用以产生阿尔法粒子。阿尔法粒子与烟雾粒子相互作用,使得报警器能够检测到烟雾的存在。镅的同位素镅-241的半衰期是432年,它的衰变产物是镎-237,半衰期长达2145500年。烟雾报警器越是旧,其中积累的镎就越多,以至于在几千年之后几乎就全是镎了(再过几千万年就几乎全变成是稳定的第81号元素铊了)。

       按照用行星的名字命名元素的习惯,下一个元素钚(钚(plutonium)是按冥王星(Pluto)的名字命名的)依然采用了行星的名字命名。虽然冥王星已被国际天文学联合会从行星家族中除名,但为钚命名时此事还没发生。这个元素可以说是当代死亡和毁灭的第二号象征,元素中的冷酷杀手。


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