عنصر اليورانيوم. خصائص واستخراج وتطبيق وسعر اليورانيوم. عنصر اليورانيوم الكيميائي: الخصائص والخصائص والصيغة. تعدين واستخدام اليورانيوم ما هو الحرف الذي يمثل اليورانيوم في الجدول الدوري

من الصعب تحديد الاسم الذي كان سيطلقه العالم الألماني مارتن كلابروث على العنصر المكتشف عام 1789، لو لم يحدث قبل بضع سنوات حدث أثار اهتمام جميع دوائر المجتمع: في عام 1781، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي ويليام هيرشل اكتشف السماء المرصعة بالنجوم باستخدام تلسكوب محلي الصنع سحابة مضيئة، والتي ظن في البداية أنها مذنب، لكنه أصبح مقتنعًا فيما بعد بأنه يرى كوكبًا سابعًا جديدًا غير معروف حتى الآن من النظام الشمسي. تكريما لإله السماء اليوناني القديم، أطلق عليه هيرشل اسم أورانوس. أعجب كلابروث بهذا الحدث، فأعطى العنصر الوليد اسم الكوكب الجديد.

وبعد حوالي نصف قرن، في عام 1841، تمكن الكيميائي الفرنسي يوجين بيليغو من الحصول على معدن اليورانيوم لأول مرة. ظل العالم الصناعي غير مبالٍ بالمعدن الثقيل واللين نسبيًا الذي تبين أن اليورانيوم هو عليه. الميكانيكية و الخواص الكيميائيةلم ينجذب علماء المعادن ولا صانعو الآلات. فقط نافخو الزجاج في بوهيميا وأساتذة الخزف والأواني الفخارية الساكسونيون استخدموا عن طيب خاطر أكسيد هذا المعدن لإعطاء النظارات لونًا أصفر-أخضرًا جميلاً أو تزيين الأطباق بنمط أسود مخملي معقد.

عرف الرومان القدماء عن "القدرات الفنية" لمركبات اليورانيوم. خلال الحفريات التي أجريت بالقرب من نابولي، كان من الممكن العثور على لوحة جدارية فسيفساء زجاجية ذات جمال مذهل. اندهش علماء الآثار: على مدار ألفي عام لم يتشوه الزجاج تقريبًا. عندما تم إخضاع عينات الزجاج للتحليل الكيميائي، تبين أنها تحتوي على أكسيد اليورانيوم، وهو ما تدين له الفسيفساء بطول عمرها. ولكن، إذا كانت أكاسيد وأملاح اليورانيوم منخرطة في "عمل مفيد اجتماعيا"، فإن المعدن نفسه شكل نقيلم يكن أحد مهتمًا تقريبًا.

حتى العلماء لم يكونوا على دراية بهذا العنصر إلا بشكل سطحي. كانت المعلومات عنه هزيلة وأحيانًا غير صحيحة تمامًا. وبالتالي، كان يعتقد أن وزنه الذري كان حوالي 120. عندما أنشأ D. I. Mendeleev جدوله الدوري، كانت هذه القيمة تخلط بين جميع أوراقه: اليورانيوم، بسبب خصائصه، لم يرغب في التوافق مع خلية الجدول التي كانت "محجوزة". "للعنصر بهذا الوزن الذري. ومن ثم قرر العالم، خلافا لرأي العديد من زملائه، قبول قيمة جديدة للوزن الذري لليورانيوم - 240 ونقل العنصر إلى نهاية الجدول. لقد أكدت الحياة صحة الكيميائي العظيم:

الوزن الذري لليورانيوم هو 238.03.

لكن عبقرية D. I. تجلى منديليف ليس فقط في هذا. في عام 1872، عندما اعتبر معظم العلماء اليورانيوم، على خلفية العديد من العناصر القيمة، كنوع من "الصابورة"، تمكن مبتكر الجدول الدوري من التنبؤ بمستقبله الرائع حقًا: "من بين جميع العناصر الكيميائية المعروفة، يحتل اليورانيوم مكانة بارزة". من حيث أنه يتمتع بأعلى وزن ذري... أعلى تركيز معروف لكتلة المادة المهمة... الموجود في اليورانيوم... لا بد أن ينطوي على ميزات بارزة... مقتنعًا بأن دراسة اليورانيوم، بدءًا من تكوينه المصادر الطبيعية، ستؤدي إلى العديد من الاكتشافات الجديدة، وأنا أوصي بجرأة لأولئك الذين يبحثون عن موضوعات لأبحاث جديدة أن يدرسوا مركبات اليورانيوم بعناية خاصة.

أصبح تنبؤ العالم العظيم حقيقة بعد أقل من ربع قرن: في عام 1896، قام الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل، بإجراء تجارب على أملاح اليورانيوم، باكتشاف يُصنف بحق بين أعظم الاكتشافات العلمية التي حققها الإنسان على الإطلاق. وإليك كيف حدث ذلك. لطالما اهتم بيكريل بظاهرة التألق (أي التوهج) المتأصلة في بعض المواد. وفي أحد الأيام، قرر أحد العلماء استخدام أحد أملاح اليورانيوم في تجاربه، وهو ما يسميه الكيميائيون كبريتات اليورانيل والبوتاسيوم المزدوجة. على لوحة فوتوغرافية ملفوفة بورق أسود، وضع شكلاً منقوشًا مقطوعًا من المعدن ومغطى بطبقة من ملح اليورانيوم، وعرّضه لأشعة الشمس الساطعة بحيث يكون التألق شديدًا قدر الإمكان. وبعد أربع ساعات، طور بيكريل اللوحة ورأى عليها صورة ظلية مميزة لشخصية معدنية. كرر تجاربه مرارا وتكرارا - وكانت النتيجة هي نفسها. وهكذا في 24 فبراير 1896، في اجتماعات الأكاديمية الفرنسية للعلوم، أفاد العالم أن مادة فسفورية مثل كبريتات اليورانيل والبوتاسيوم المزدوجة، عند تعرضها للضوء، تظهر إشعاعًا غير مرئي يمر عبر ورق أسود معتم ويقلل الفضة الأملاح على لوحة التصوير الفوتوغرافي.

بعد يومين، قرر بيكريل مواصلة التجارب، ولكن لحسن الحظ، كان الطقس غائما، وبدون الشمس، كيف سيكون التفسفر؟ منزعجًا من سوء الأحوال الجوية، قام العالم بإخفاء الورق الشفاف المُعد بالفعل، ولكن لم يتم إضاءته أبدًا، جنبًا إلى جنب مع عينات من أملاح اليورانيوم في درج مكتبه، حيث كانت مستلقية لعدة أيام. أخيرًا، في ليلة الأول من مارس، طهرت الرياح سماء باريس من الغيوم وتألقت أشعة الشمس فوق المدينة في الصباح. أسرع بيكريل، الذي كان ينتظر ذلك بفارغ الصبر، إلى مختبره وأخرج الورق الشفاف من درج مكتبه ليعرضه لأشعة الشمس. ولكن نظرًا لكونه مجربًا متحذلقًا للغاية، فقد قرر في اللحظة الأخيرة تطوير الورق الشفاف، على الرغم من أن المنطق يبدو أنه يشير إلى أنه لم يكن من الممكن أن يحدث له شيء خلال الأيام الماضية: بعد كل شيء، كانوا مستلقين في صندوق مظلم، و بدون ضوء، لا شيء مادة فسفورية. في تلك اللحظة، لم يشك العالم في أنه في غضون ساعات قليلة، كانت لوحات الصور الفوتوغرافية العادية التي تبلغ قيمتها بضعة فرنكات متجهة إلى أن تصبح كنوزًا لا تقدر بثمن، وسيدخل يوم الأول من مارس عام 1896 إلى الأبد في تاريخ العلوم العالمية.

ما رآه بيكريل على اللوحات المطورة أذهله حرفيًا: ظهرت الصور الظلية السوداء للعينات بشكل حاد وواضح على الطبقة الحساسة للضوء. وهذا يعني أن التفسفر لا علاقة له به. ولكن بعد ذلك، ما نوع الأشعة التي يصدرها ملح اليورانيوم؟ وقام العالم مرارا وتكرارا بإجراء تجارب مماثلة مع مركبات اليورانيوم الأخرى، بما في ذلك تلك التي ليس لديها القدرة على الفوسفور أو كانت مستلقية في مكان مظلم لسنوات، وفي كل مرة ظهرت صورة على الألواح.

لا تزال لدى بيكريل فكرة غير واضحة تمامًا مفادها أن اليورانيوم يمثل "المثال الأول لمعدن يُظهر خاصية مشابهة للتألق غير المرئي".

وفي الوقت نفسه، تمكن الكيميائي الفرنسي هنري مويسان من تطوير طريقة لإنتاج معدن اليورانيوم النقي. طلب بيكريل من مويسان بعض مسحوق اليورانيوم ووجد أن إشعاع اليورانيوم النقي كان أكثر كثافة بكثير من مركباته، وظلت خاصية اليورانيوم هذه دون تغيير في ظل مجموعة واسعة من الظروف التجريبية، خاصة عند تسخينه بقوة وعند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة.

لم يكن بيكريل في عجلة من أمره لنشر بيانات جديدة: لقد كان ينتظر مويسان ليقدم تقريرًا عن بحثه المثير للاهتمام. الأخلاق العلمية تتطلب ذلك. وهكذا في 23 نوفمبر 1896، في اجتماع لأكاديمية العلوم، قدم مويسان تقريرًا عن العمل للحصول على اليورانيوم النقي، وتحدث بيكريل عن خاصية جديدة متأصلة في هذا العنصر، والتي تتمثل في الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم. ذراتها. هذه الخاصية كانت تسمى النشاط الإشعاعي.

كان اكتشاف بيكريل بمثابة بداية حقبة جديدة في الفيزياء - عصر تحول العناصر. ومن الآن فصاعدا، لم يعد من الممكن اعتبار الذرة واحدة وغير قابلة للتجزئة، وهو ما فتح طريقا أمام العلم إلى أعماق هذا "اللبن" من العالم المادي.

وبطبيعة الحال، اجتذب اليورانيوم الآن انتباه العلماء. وفي الوقت نفسه، كانوا مهتمين أيضًا بالسؤال التالي: هل النشاط الإشعاعي متأصل في اليورانيوم فقط؟ وربما هناك عناصر أخرى في الطبيعة لها هذه الخاصية؟

الإجابة على هذا السؤال قدمها الفيزيائيان البارزان بيير كوري وماريا سكلادوفسكايا كوري. بمساعدة جهاز صممه زوجها، قامت ماري كوري بفحص كمية هائلة من المعادن والمعادن والأملاح. تم تنفيذ العمل في ظروف صعبة بشكل لا يصدق. كان المختبر مهجورا سقيفة خشبيةالتي وجدها الزوجان في إحدى الساحات الباريسية. يتذكر السيد كوري لاحقًا: "لقد كانت ثكنة مصنوعة من الألواح الخشبية، ذات أرضية أسفلتية وسقف زجاجي لا يحمي جيدًا من المطر، دون أي أجهزة". - لم يكن فيه سوى القدامى طاولات خشبيةوموقد من الحديد الزهر لا يوفر حرارة كافية، وسبورة كان بيير يحب استخدامها كثيرًا. لم تكن هناك أغطية دخان لإجراء التجارب على الغازات الضارة، لذلك كان لا بد من إجراء هذه العمليات في الخارج عندما يسمح الطقس بذلك، أو في الداخل عندما يسمح الطقس بذلك. النوافذ المفتوحة" يوجد في مذكرات P. Curie مدخل مفاده أنه في بعض الأحيان تم تنفيذ العمل عند درجة حرارة ست درجات فقط فوق الصفر.

نشأت مشاكل كثيرة في الحصول عليها المواد الضرورية. فخام اليورانيوم، على سبيل المثال، كان باهظ الثمن للغاية، ولم يتمكن آل كوري من شراء ما يكفي منه بأموالهم المتواضعة. فقرروا مناشدة الحكومة النمساوية بطلب بيعهم بسعر زهيد مخلفات هذا الخام الذي استخرج منه اليورانيوم في النمسا، ويستخدم على شكل أملاح لتلوين الزجاج والخزف. تم دعم العلماء من قبل أكاديمية فيينا للعلوم، وتم تسليم عدة أطنان من النفايات إلى مختبرهم في باريس.

عملت ماري كوري بمثابرة غير عادية. وأكدت دراسة المواد المختلفة صحة بيكريل الذي رأى أن النشاط الإشعاعي لليورانيوم النقي أكبر من أي من مركباته. وهذا ما أكدته نتائج مئات التجارب. لكن ماري كوري بحثت عن المزيد والمزيد من المواد الجديدة. وفجأة... المفاجأة! كان لاثنين من معادن اليورانيوم - الكالكوليت وخام راتنج بوهيميا - تأثير أكثر نشاطًا على الجهاز من اليورانيوم. وقد اقترح الاستنتاج نفسه: أنها تحتوي على عنصر غير معروف، يتميز بقدرة أعلى على التحلل الإشعاعي. تكريما لبولندا، مسقط رأس السيد كوري، أطلق الزوجان عليه اسم البولونيوم.

العودة إلى العمل، مرة أخرى عمل جبار - وانتصار آخر: تم اكتشاف عنصر أكثر إشعاعًا بمئات المرات من اليورانيوم. أطلق العلماء على هذا العنصر اسم الراديوم، وهو ما يعني “الشعاع” باللاتينية.

أدى اكتشاف الراديوم إلى تشتيت انتباه المجتمع العلمي إلى حد ما عن اليورانيوم. لمدة أربعين عامًا تقريبًا لم يكن يثير أذهان العلماء حقًا، ونادرا ما ينغمس في اهتمامه بالفكر الهندسي. وجاء في أحد مجلدات الموسوعة التقنية، الصادر عام 1934، ما يلي: "ليس لليورانيوم العنصري أي استخدام عملي". لم يخطئ المنشور ذو السمعة الطيبة ضد الحقيقة، ولكن بعد بضع سنوات فقط، أدخلت الحياة تعديلات كبيرة على الأفكار المتعلقة بقدرات اليورانيوم.

وفي بداية عام 1939 ظهر تقريران علميان. الأول، الذي أرسله فريدريك جوليو كوري إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم، كان بعنوان "دليل تجريبي على الانشطار الانفجاري لنواة اليورانيوم والثوريوم تحت تأثير النيوترونات". الرسالة الثانية - مؤلفوها هم الفيزيائيان الألمانيان أوتو فريش وليز مايتنر - ونشرتها مجلة الطبيعة الإنجليزية. وكان عنوانه: "تحلل اليورانيوم بالنيوترونات: نوع جديد من التفاعل النووي". لقد تحدثوا هناك وهناك عن ظاهرة جديدة غير معروفة حتى الآن تحدث مع نواة العنصر الأثقل - اليورانيوم.

قبل بضع سنوات، أصبح "الأولاد" مهتمين بشكل جدي باليورانيوم - وهذا هو الاسم الودود الذي أطلق على مجموعة من الفيزيائيين الشباب الموهوبين الذين عملوا تحت قيادة إنريكو فيرمي في جامعة روما. وكانت هواية هؤلاء العلماء هي فيزياء النيوترونات التي كانت تحتوي على الكثير من الأشياء الجديدة وغير المعروفة.

تم اكتشاف أنه عند تشعيعها بالنيوترونات، كقاعدة عامة، تتحول نوى أحد العناصر إلى نوى عنصر آخر، وتحتل الخلية التالية في الجدول الدوري. ماذا لو تم تشعيع العنصر 92 الأخير، اليورانيوم، بالنيوترونات؟ ومن ثم يجب أن يتشكل عنصر موجود بالفعل في المرتبة 93، وهو عنصر لا تستطيع حتى الطبيعة خلقه!

أعجب "الأولاد" بالفكرة. في الواقع، أليس من المغري معرفة ما هو عليه؟ عنصر اصطناعيكيف يبدو وكيف يتصرف؟ لذلك - يتم تشعيع اليورانيوم. لكن ماذا حدث؟ ولم يظهر عنصر مشع واحد فقط في اليورانيوم، كما كان متوقعا، بل ظهر ما لا يقل عن اثني عشر عنصرا. كان هناك بعض الغموض في سلوك اليورانيوم. يرسل إنريكو فيرمي رسالة بهذا الشأن إلى إحدى المجلات العلمية. ويعتقد أنه من الممكن أن يكون العنصر 93 قد تشكل، لكن لا يوجد دليل دقيق على ذلك. ولكن، من ناحية أخرى، هناك أدلة على وجود بعض العناصر الأخرى في اليورانيوم المشعع. لكن أي منها؟

جرت محاولة للإجابة على هذا السؤال من قبل ابنة ماري كوري، إيرين جوليو كوري. كررت تجارب فيرمي وفحصت بعناية التركيب الكيميائي لليورانيوم بعد تشعيعه بالنيوترونات. وكانت النتيجة أكثر من غير متوقعة: فقد ظهر عنصر اللانثانوم في اليورانيوم، ويقع في منتصف الجدول الدوري تقريبًا، أي بعيدًا جدًا عن اليورانيوم.

عندما أجرى العلماء الألمان أوتو هان وفريدريش ستراسمان نفس التجارب، لم يجدوا اللانثانوم في اليورانيوم فحسب، بل وجدوا أيضًا الباريوم. لغز تلو لغز!

أبلغ هان وستراسمان صديقتهما الفيزيائية الشهيرة ليز مايتنر بتجاربهما. الآن يحاول العديد من العلماء البارزين حل مشكلة اليورانيوم في وقت واحد. وهكذا، توصل فريدريك جوليو كوري أولاً، وبعد مرور بعض الوقت ليز مايتنر إلى نفس النتيجة: عندما تصطدم نواة اليورانيوم بالنيوترون، يبدو أن نواة اليورانيوم تنهار. وهذا ما يفسر الظهور غير المتوقع لللانثانوم والباريوم، وهما عنصران يبلغ وزنهما الذري نصف وزن اليورانيوم تقريبًا.

الفيزيائي الأمريكي لويس ألفاريز، الحائز على الجائزة لاحقا جائزة نوبللفت انتباهي هذا الخبر في صباح أحد أيام شهر يناير من عام 1939 وأنا جالسة على كرسي مصفف الشعر. كان يتصفح الجريدة بهدوء عندما لفت انتباهه فجأة عنوان رئيسي متواضع: "ذرة اليورانيوم مقسمة إلى نصفين".

وبعد لحظة، ولدهشة الحلاق والزبائن المنتظرين في الطابور، خرج العميل الغريب من محل الحلاقة، نصف مقطوع، ومنديل مربوط بإحكام حول رقبته ويرفرف في مهب الريح. متجاهلاً المارة المتفاجئين، هرع الفيزيائي إلى مختبر جامعة كاليفورنيا حيث كان يعمل لإبلاغ زملائه بالأخبار المذهلة. في البداية كانوا متفاجئين تمامًا المظهر الأصليألفاريز يلوح بإحدى الصحف، لكن عندما سمعوا عن الاكتشاف المثير، نسوا على الفور تسريحة شعره غير العادية.

نعم، لقد كان إحساسًا حقيقيًا بالعلم. لكن جوليو كوري أثبتت أيضًا حقيقة مهمة أخرى: تفكك نواة اليورانيوم له طابع الانفجار، حيث تتطاير الشظايا الناتجة بسرعة هائلة. في حين أنه كان من الممكن تقسيم النوى الفردية فقط، فإن طاقة الشظايا تسخن فقط قطعة من اليورانيوم. إذا كان عدد الانشطارات كبيرا، فسيتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة.

ولكن من أين يمكن الحصول على ما يكفي من النيوترونات لقصف عدد كبير من نوى اليورانيوم بها في نفس الوقت؟ بعد كل شيء، أنتجت مصادر النيوترونات المعروفة للعلماء عدة مليارات المرات أقل مما هو مطلوب. الطبيعة نفسها جاءت للإنقاذ. اكتشفت جوليو كوري أنه عندما تنشطر نواة اليورانيوم، تنبعث منها عدة نيوترونات. وبمجرد دخولها إلى نوى الذرات المجاورة، ينبغي أن تؤدي إلى اضمحلال جديد، وسيبدأ ما يسمى بالتفاعل المتسلسل. وبما أن هذه العمليات تستمر لأجزاء من المليون من الثانية، يتم إطلاق طاقة هائلة على الفور - ولا مفر من حدوث انفجار. يبدو أن كل شيء واضح. لكن قطع اليورانيوم تم تشعيعها بالنيوترونات أكثر من مرة، لكنها لم تنفجر، أي لم يحدث تفاعل متسلسل. على ما يبدو، هناك حاجة إلى بعض الشروط الأخرى. اي واحدة؟ لم يتمكن فريدريك جوليو كوري من الإجابة على هذا السؤال بعد.

ومع ذلك تم العثور على الجواب. تم العثور عليه في نفس عام 1939 من قبل العلماء السوفييت الشباب Ya.B.Zeldovich وYu.B.خاريتون. لقد أثبتوا في عملهم أن هناك طريقتين لتطوير التفاعل النووي المتسلسل. أولا، من الضروري زيادة حجم قطعة اليورانيوم، لأنه عندما يتم تشعيع قطعة صغيرة، يمكن للعديد من النيوترونات الصادرة حديثا أن تطير منها دون مواجهة نواة واحدة في طريقها. مع زيادة كتلة اليورانيوم، يزداد احتمال إصابة النيوترون بالهدف بشكل طبيعي.

وهناك طريقة أخرى، وهي تخصيب اليورانيوم بالنظير 235. والحقيقة أن اليورانيوم الطبيعي له نظيران رئيسيان، وزنهما الذري 238 و235. وفي نواة الأول منهما، التي تزيد ذراته 140 مرة، هناك ثلاثة نيوترونات أخرى. اليورانيوم 235، "الفقير" في النيوترونات، يمتصها بجشع - بقوة أكبر بكثير من أخيه "المزدهر"، الذي لا ينقسم حتى إلى أجزاء، ولكنه يتحول إلى عنصر آخر. استخدم العلماء لاحقًا خاصية النظير هذه للحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم الاصطناعية. بالنسبة للتفاعل المتسلسل، فإن لامبالاة اليورانيوم 238 بالنيوترونات كارثية: فالعملية تضعف قبل أن تتمكن من اكتساب القوة. لكن كلما زاد عدد ذرات النظير المتعطش للنيوترونات 235 في اليورانيوم، كلما كان التفاعل أكثر نشاطًا.

ولكن لكي تبدأ العملية، هناك حاجة أيضًا إلى النيوترون الأول، ذلك "التطابق" الذي من شأنه أن يسبب "نارًا" ذرية. بالطبع، لهذا الغرض، يمكنك استخدام مصادر النيوترونات التقليدية، والتي استخدمها العلماء سابقا في أبحاثهم - ليست مريحة للغاية، ولكنها ممكنة. أليس هناك "تطابق" أكثر ملاءمة؟

يأكل. تم العثور عليه من قبل علماء سوفيات آخرين K. A. Petrzhak و G. N. Flerov. من خلال دراسة سلوك اليورانيوم في 1939-1940، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن نوى هذا العنصر قادرة على التحلل تلقائيًا. وهذا ما أكدته نتائج التجارب التي أجروها في أحد مختبرات لينينغراد. ولكن ربما لم يتحلل اليورانيوم من تلقاء نفسه، ولكن، على سبيل المثال، تحت تأثير الأشعة الكونية: فالأرض تحت نيرانها باستمرار. وهذا يعني أن التجارب تحتاج إلى تكرارها في أعماق الأرض، حيث لا يخترق هؤلاء الضيوف الفضائيون. بعد التشاور مع أكبر عالم ذري سوفيتي I. V. كورشاتوف، قرر الباحثون الشباب إجراء تجارب في بعض محطات مترو موسكو. ولم يواجه ذلك أي عوائق لدى مفوضية الشعب للسكك الحديدية، وسرعان ما تم تسليم المعدات التي تزن نحو ثلاثة أطنان إلى مكتب رئيس محطة مترو دينامو الواقعة على عمق 50 مترا، على أكتاف العلماء.

كما هو الحال دائمًا، مرت القطارات الزرقاء، ونزل آلاف الركاب وصعدوا المصعد الكهربائي، ولم يتخيل أحد منهم أن التجارب تُجرى في مكان قريب جدًا، وهو أمر يصعب المبالغة في تقدير أهميته. وأخيرا، تم الحصول على نتائج مماثلة لتلك التي لوحظت في لينينغراد. لم يكن هناك شك: التحلل التلقائي متأصل في نواة اليورانيوم. لملاحظة ذلك، كان عليك إظهار مهارة تجريبية غير عادية: في ساعة واحدة من كل ساعة

من بين 60.000.000.000.000 ذرة يورانيوم، تتحلل ذرة واحدة فقط. حقا قطرة في دلو!

كتب K. A. Petrzhak و G. N. Flerov الصفحة الأخيرة في ذلك الجزء من سيرة اليورانيوم التي سبقت أول تفاعل متسلسل في العالم. تم تنفيذها في 2 ديسمبر 1942 على يد إنريكو فيرمي.

في نهاية الثلاثينيات، اضطر فيرمي، مثل العديد من العلماء البارزين الآخرين، إلى الهجرة إلى أمريكا هربا من الطاعون النازي. هنا كان ينوي مواصلة تجاربه الأكثر أهمية. لكن هذا يتطلب الكثير من المال. وكان من الضروري إقناع الحكومة الأمريكية بأن تجارب فيرمي ستنتج أسلحة ذرية قوية يمكن استخدامها لمحاربة الفاشية. قام بهذه المهمة العالم الشهير ألبرت أينشتاين. يكتب رسالة إلى الرئيس الأمريكي فرانكلين روزفلت تبدأ بالكلمات: “سيدي! إن آخر عمل لـ E. Fermi وL. Szilard، والذي قرأته في المخطوطة، يسمح لي أن أتمنى أن يتحول عنصر اليورانيوم في المستقبل القريب إلى مصدر مهم جديد للطاقة..." ودعا العالم في الرسالة الحكومة إلى البدء في تمويل أبحاث اليورانيوم. ونظراً لسلطة أينشتاين الهائلة وخطورة الوضع الدولي، أعطى روزفلت موافقته.

في نهاية عام 1941، يمكن لسكان شيكاغو أن يلاحظوا الإثارة غير العادية التي تسود في إقليم أحد الملاعب، والتي لا علاقة لها بالرياضة. وكانت السيارات المحملة بالبضائع تصل إلى بوابتها بين الحين والآخر. لم يسمح العديد من حراس الأمن للغرباء بالاقتراب من سياج الملعب. هنا، في ملاعب التنس الواقعة تحت المدرج الغربي، أعد إنريكو فيرمي تجربته الأكثر خطورة - تنفيذ سلسلة من ردود الفعل الخاضعة للرقابة لانشطار نواة اليورانيوم. تم العمل على بناء أول مفاعل نووي في العالم ليلا ونهارا لمدة عام.

جاء الصباح يوم 2 ديسمبر 1942. طوال الليل لم يغمض العلماء أعينهم، وتحققوا من حساباتهم مرارا وتكرارا. إنها ليست مزحة: يقع الملعب في وسط مدينة تبلغ قيمتها ملايين الدولارات، وعلى الرغم من أن الحسابات أقنعت بأن رد الفعل في المرجل النووي سيكون بطيئًا، أي لن يكون متفجرًا، إلا أنه لم يكن لأحد الحق في المخاطرة بحياتهم. من مئات الآلاف من الناس. لقد بدأ اليوم بالفعل منذ فترة طويلة، وحان وقت تناول وجبة الإفطار، لكن الجميع نسوا ذلك - ولم يتمكنوا من الانتظار لبدء الهجوم على الذرة في أقرب وقت ممكن. ومع ذلك، فإن فيرمي ليس في عجلة من أمره: نحن بحاجة إلى منح الأشخاص المتعبين قسطًا من الراحة، فهم بحاجة إلى إطلاق سراحهم، حتى يتمكنوا بعد ذلك من وزن كل شيء بعناية والتفكير في كل شيء مرة أخرى. الحذر والحذر مرة أخرى. وهكذا، عندما كان الجميع ينتظر الفريق لبدء التجربة، نطق فيرمي عبارته الشهيرة، التي دخلت تاريخ غزو الذرة - كلمتين فقط: "دعونا نذهب لتناول الإفطار!"

انتهى الإفطار، وعاد كل شيء إلى مكانه، وبدأت التجربة. وتتركز أنظار العلماء على الأدوات. دقائق الانتظار مؤلمة. وأخيرًا، نقرت عدادات النيوترونات مثل المدافع الرشاشة. يبدو أنهم يختنقون عددًا كبيرًا من النيوترونات، ولم يكن لديهم الوقت لعدها! لقد بدأ التفاعل المتسلسل! حدث هذا في الساعة 15:25 بتوقيت شيكاغو. تم السماح للنار الذرية بالاشتعال لمدة 28 دقيقة، وبعد ذلك، بأمر من فيرمي، تم إيقاف التفاعل المتسلسل.

أجاب أحد المشاركين في التجربة على الهاتف، وقال لرؤسائه باستخدام عبارة مشفرة متفق عليها مسبقًا: "لقد وصل الملاح الإيطالي إلى العالم الجديد!" وهذا يعني أن العالم الإيطالي البارز إنريكو فيرمي حرر طاقة نواة الذرة وأثبت أن الإنسان يستطيع التحكم بها واستخدامها متى شاء.

لكن الإرادة تختلف عن الإرادة. في تلك السنوات التي وقعت فيها الأحداث الموصوفة، كان التفاعل المتسلسل يعتبر في المقام الأول مرحلة على الطريق نحو إنشاء قنبلة ذرية. وفي هذا الاتجاه استمر عمل علماء الذرة في أمريكا.

كان الوضع في الأوساط العلمية المرتبطة بهذه الأعمال متوتراً للغاية. ولكن حتى هنا كانت هناك بعض الشذوذ.

في خريف عام 1943، تقرر محاولة نقل عالم الفيزياء الرائد نيلز بور من الدنمارك التي كانت تحتلها ألمانيا إلى أمريكا من أجل الاستفادة من معرفته وموهبته الهائلتين. في ليلة مظلمة، على متن قارب صيد، تحت حراسة سرا من قبل الغواصات الإنجليزية، تم نقل العالم، متنكرا في زي صياد، إلى السويد، حيث كان من المقرر أن يتم نقله بالطائرة إلى إنجلترا، ثم إلى الولايات المتحدة الأمريكية.

تتكون أمتعة بور بأكملها من زجاجة واحدة. اعتز الفيزيائي بزجاجة البيرة الدنماركية الخضراء العادية، والتي احتفظ فيها سرًا بالمياه الثقيلة التي لا تقدر بثمن من الألمان: وفقًا للعديد من علماء الذرة، كان الماء الثقيل هو الذي يمكن أن يكون بمثابة وسيط نيوتروني للتفاعل النووي.

تحمل بور الرحلة المتعبة بشدة، وبمجرد أن عاد إلى رشده، كان أول شيء فعله هو التحقق مما إذا كانت زجاجة الماء الثقيل سليمة. وبعد ذلك، اكتشف العالم، مما أثار استياءه الشديد، أنه أصبح ضحية لشرود ذهنه: كان في يديه زجاجة من البيرة الدنماركية الحقيقية، وبقي الوعاء الذي يحتوي على ماء ثقيل في الثلاجة في المنزل.

عندما تم إنتاج أول قطعة صغيرة من اليورانيوم 235 مخصصة للقنبلة الذرية في مصانع أوك ريدج العملاقة في ولاية تينيسي، تم إرسالها بواسطة ساعي خاص إلى لوس ألاموس، مخبأة بين وديان نيو مكسيكو، حيث تم تصنيع هذا السلاح الفتاك. لم يتم إخبار الساعي، الذي كان عليه أن يقود السيارة بنفسه، بما كان موجودًا في الصندوق المعطى له، لكنه سمع مرارًا وتكرارًا قصصًا مخيفة عن ولادة "أشعة الموت" الغامضة في أوك ريدج. كلما زاد قيادته، زادت الإثارة. في النهاية، قرر، عند أول علامة مشبوهة في سلوك الصندوق المخبأ خلفه، أن يركض بأسرع ما يمكن من السيارة.

أثناء القيادة على طول جسر طويل، سمع السائق فجأة طلقة نارية عالية من الخلف. كما لو أنه قفز، قفز من السيارة وركض بأسرع ما ركض في حياته. ولكن بعد أن ركض مسافة طويلة، توقف بسبب الإرهاق، وأصبح مقتنعًا بأنه آمن وسليم، بل وتجرأ على النظر إلى الوراء. في هذه الأثناء، كان ذيل طويل من السيارات التي تصدر أصواتًا بفارغ الصبر قد نما خلف سيارته. كان علي أن أعود وأواصل طريقي.

ولكن بمجرد أن جلس خلف عجلة القيادة، سُمعت طلقة عالية مرة أخرى، وقامت غريزة الحفاظ على الذات مرة أخرى بإلقاء الزميل الفقير خارج السيارة وجعله يندفع بعيدًا عن الصندوق المنكوب. فقط بعد أن لحق به شرطي غاضب على دراجة نارية وشاهد وثائق حكومية، علم السائق الخائف أن الطلقات جاءت من ساحة تدريب قريبة، حيث كان يتم اختبار قذائف مدفعية جديدة في ذلك الوقت.

تم تنفيذ العمل في لوس ألاموس بسرية تامة. جميع العلماء الكبار كانوا هنا بأسماء وهمية. وهكذا، فإن نيلز بور، على سبيل المثال، كان معروفًا في لوس ألاموس باسم نيكولاي بيكر، وإنريكو فيرمي باسم هنري فارمر، ويوجين فيجنر باسم يوجين فاغنر.

في أحد الأيام، عندما كان فيرمي وفيجنر يغادران أراضي مصنع سري، أوقفهما أحد الحراس. قدم فيرمي هويته باسم المزارع، ولم يتمكن فيجنر من العثور على مستنداته. كان لدى الحارس قائمة بأسماء الأشخاص المسموح لهم بالدخول والخروج من المصنع. "ما هو اسمك الأخير؟" سأل. تمتم الأستاذ الشارد في البداية بكلمة "فاغنر" من باب العادة، لكنه تمالك نفسه على الفور وصحح نفسه: "فاغنر". مما أثار الشكوك بين الحراس. كان فاغنر على القائمة، لكن فيغنر لم يكن كذلك. التفت إلى فيرمي، الذي كان يعرفه جيدًا من خلال بصره، وسأل: «هل اسم هذا الرجل فاغنر؟» "اسمه فاغنر. "هذا صحيح مثل حقيقة أنني مزارع،" أكد فيرمي للحارس رسميًا، مختبئًا ابتسامة، وسمح للعلماء بالمرور.

حوالي منتصف عام 1945، تم الانتهاء من العمل على إنشاء القنبلة الذرية، التي أنفق عليها ملياري دولار، وفي 6 أغسطس، ظهر فطر ناري عملاق فوق مدينة هيروشيما اليابانية، أودى بحياة عشرات الآلاف. وأصبح هذا التاريخ يوما مظلما في تاريخ الحضارة. إن أعظم إنجاز للعلم أدى إلى أعظم مأساة للبشرية.

وواجه العلماء والعالم كله السؤال: ماذا بعد؟ الاستمرار في تحسين الأسلحة النووية، وإنشاء وسائل أكثر فظاعة لإبادة الناس؟

لا! من الآن فصاعدا، يجب أن تكون الطاقة الهائلة الموجودة في نواة الذرات في خدمة الإنسان. الخطوة الأولى على هذا الطريق اتخذها العلماء السوفييت تحت قيادة الأكاديمي آي في كورشاتوف. في 27 يونيو 1954، بثت إذاعة موسكو رسالة ذات أهمية استثنائية: "في الوقت الحاضر، في الاتحاد السوفيتي، ومن خلال جهود العلماء والمهندسين السوفييت، يتم العمل على تصميم وبناء أول محطة للطاقة الصناعية في الطاقه الذريهقوة مفيدة تبلغ 5000 كيلووات." ولأول مرة، يتدفق تيار عبر الأسلاك، التي تحمل الطاقة المتولدة في أعماق ذرة اليورانيوم.

وكتبت صحيفة ديلي وركر في تلك الأيام: «هذا الحدث التاريخي له ما هو أكثر بما لا يقاس أهمية دوليةمن إلقاء القنبلة الذرية الأولى على هيروشيما..."

كان إطلاق أول محطة للطاقة النووية بمثابة بداية تطوير فرع جديد من التكنولوجيا - الطاقة النووية. أصبح اليورانيوم الوقود السلمي في القرن العشرين.

ومرت خمس سنوات أخرى، وخرجت أول كاسحة جليد تعمل بالطاقة النووية في العالم، لينين، من أحواض بناء السفن السوفييتية. لكي تعمل محركاتها بكامل طاقتها (44 ألف حصان!) ، تحتاج إلى "حرق" بضع عشرات من جرامات اليورانيوم فقط. يمكن لقطعة صغيرة من هذا الوقود النووي أن تحل محل آلاف الأطنان من زيت الوقود أو الفحم، والتي تضطر إلى سحب السفن العادية خلفها، على سبيل المثال، في رحلة بين لندن ونيويورك. ويمكن لكاسحة الجليد "لينين" التي تعمل بالطاقة النووية، والتي تحتوي على احتياطي يصل إلى عشرات الكيلوجرامات من وقود اليورانيوم، أن تسحق جليد القطب الشمالي لمدة ثلاث سنوات دون دخول الميناء "للتزود بالوقود".

وفي عام 1974، بدأت كاسحة الجليد النووية الأكثر قوة، أركتيكا، في أداء واجباتها.

في كل عام، تصبح حصة الوقود النووي في التوازن العالمي لموارد الطاقة ملحوظة بشكل متزايد. في الوقت الحاضر، يضيء كل رابع مصباح كهربائي في روسيا بسبب محطات الطاقة النووية. مزايا هذا النوع من الوقود لا يمكن إنكارها. لكن لا تنسى مخاطر الإشعاع. عانى الملايين من الناس. ومن بينهم، قُتل أكثر من 100 ألف شخص بسبب الحادث المروع الذي وقع في محطة تشيرنوبول للطاقة النووية في عام 1986. وحتى الآن المنطقة القريبة من محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية ملوثة وغير صالحة للعيش. سوف يستغرق الأمر مائة عام أخرى على الأقل قبل أن يتمكن الشخص من العودة والعيش هناك. ولكن حتى من دون وقوع حوادث، كل شيء ليس على نحو سلس جدا. ففي نهاية المطاف، يرتبط استخدام وقود اليورانيوم بصعوبات عديدة، ولعل أهمها تدمير النفايات المشعة الناتجة. فهل يجب أن ننزلها في حاويات خاصة إلى قاع البحار والمحيطات؟ دفنهم في عمق الأرض؟ من غير المرجح أن تحل هذه الأساليب المشكلة تماما: بعد كل شيء، في النهاية، تبقى المواد القاتلة على كوكبنا. ألا ينبغي لنا أن نحاول إرسالهم إلى مكان بعيد - إلى مكان آخر الأجرام السماوية؟ هذه هي بالضبط الفكرة التي طرحها أحد العلماء الأمريكيين. واقترح تحميل النفايات من محطات الطاقة النووية على سفن الفضاء "البضائع" التي تسافر على طول طريق الأرض والشمس. وبطبيعة الحال، فإن مثل هذه "الطرود" اليوم ستكون مكلفة للغاية بالنسبة للمرسلين، ولكن وفقا لبعض الخبراء المتفائلين، في غضون 10 سنوات، ستصبح عمليات النقل هذه مبررة تماما.

في الوقت الحاضر، لم يعد من الضروري أن يكون لديك خيال غني للتنبؤ بالمستقبل العظيم لليورانيوم. أورانوس غدا يعني صواريخ فضائية تتجه إلى أعماق الكون، ومدن عملاقة تحت الماء تزود بالطاقة منذ عقود، وإنشاء جزر صناعية وسقي الصحاري، والتغلغل في أعماق الأرض وتحول مناخ كوكبنا .

اليورانيوم، ربما المعدن الأكثر روعة في الطبيعة، يفتح آفاقا رائعة للإنسان!

محتوى المقال

أورانوس, U (اليورانيوم)، وهو عنصر كيميائي معدني من عائلة الأكتينيدات، والتي تشمل Ac، Th، Pa، U وعناصر ما بعد اليورانيوم (Np، Pu، Am، Cm، Bk، Cf، Es، Fm، Md، No، Lr). اكتسب اليورانيوم شهرة بسبب استخدامه في الأسلحة النووية والطاقة النووية. كما تستخدم أكاسيد اليورانيوم لتلوين الزجاج والسيراميك.

التواجد في الطبيعة.

تبلغ نسبة اليورانيوم في القشرة الأرضية 0.003%، ويوجد في الطبقة السطحية للأرض على شكل أربعة أنواع من الرواسب. أولاً، هذه عروق من اليورانيت، أو طبقة اليورانيوم (ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2)، غنية جدًا باليورانيوم، ولكنها نادرة. وهي مصحوبة برواسب الراديوم، لأن الراديوم هو منتج مباشر لتحلل نظائر اليورانيوم. توجد مثل هذه الأوردة في زائير وكندا (بحيرة الدب العظيم) وجمهورية التشيك وفرنسا. المصدر الثاني لليورانيوم هو تكتلات الثوريوم وخامات اليورانيوم مع خامات معادن مهمة أخرى. تحتوي التكتلات عادةً على كميات كافية من الذهب والفضة لاستخراجها، مع وجود عناصر مرتبطة باليورانيوم والثوريوم. توجد رواسب كبيرة من هذه الخامات في كندا وجنوب إفريقيا وروسيا وأستراليا. المصدر الثالث لليورانيوم هو الصخور الرسوبية والأحجار الرملية الغنية بمعدن الكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم)، الذي يحتوي، بالإضافة إلى اليورانيوم، على كمية كبيرة من الفاناديوم وعناصر أخرى. تم العثور على هذه الخامات في الولايات الغربية للولايات المتحدة. ويشكل صخور الحديد واليورانيوم وخامات الفوسفات المصدر الرابع للرواسب. تم العثور على رواسب غنية في الصخر الزيتي في السويد. تحتوي بعض خامات الفوسفات في المغرب والولايات المتحدة على كميات كبيرة من اليورانيوم، كما أن رواسب الفوسفات في أنغولا وجمهورية أفريقيا الوسطى أكثر ثراءً باليورانيوم. تحتوي معظم الليجنيت وبعض أنواع الفحم عادة على شوائب اليورانيوم. تم العثور على رواسب الليجنيت الغنية باليورانيوم في شمال وجنوب داكوتا (الولايات المتحدة الأمريكية) والفحم القاري في إسبانيا وجمهورية التشيك.

افتتاح.

تم اكتشاف أورانوس في عام 1789 من قبل الكيميائي الألماني م. كلابروث، الذي أطلق على العنصر اسم تكريما لاكتشاف كوكب أورانوس قبل 8 سنوات. (كان كلابروث الكيميائي الرائد في عصره؛ واكتشف أيضًا عناصر أخرى، بما في ذلك Ce وTi وZr.) في الواقع، لم تكن المادة التي حصل عليها كلابروث يورانيوم عنصريًا، بل شكلًا مؤكسدًا منه، وتم الحصول على اليورانيوم العنصري لأول مرة بواسطة الكيميائي الفرنسي E. .Peligo في عام 1841. من لحظة الاكتشاف حتى القرن العشرين. ولم يكن لليورانيوم المعنى الذي له الآن، على الرغم من وجود الكثير منه الخصائص الفيزيائية، و الكتلة الذريةوتم تحديد الكثافة. في عام 1896، أثبت أ. بيكريل أن أملاح اليورانيوم تحتوي على إشعاع يضيء لوحة فوتوغرافية في الظلام. حفز هذا الاكتشاف الكيميائيين على البحث في مجال النشاط الإشعاعي، وفي عام 1898، قام زوجا الفيزيائيين الفرنسيين ب. كوري وم. سكلودوفسكا كوري بعزل أملاح العناصر المشعة البولونيوم والراديوم، وإي. روثرفورد، ف. سودي، ك. فايان. وقام علماء آخرون بتطوير نظرية الاضمحلال الإشعاعي، التي أرست أسس الكيمياء النووية الحديثة والطاقة النووية.

الاستخدامات الأولى لليورانيوم

وعلى الرغم من أن النشاط الإشعاعي لأملاح اليورانيوم كان معروفا، إلا أن خاماته في الثلث الأول من هذا القرن لم تستخدم إلا للحصول على الراديوم المصاحب، وكان اليورانيوم يعتبر منتجا ثانويا غير مرغوب فيه. وكان استخدامه يتركز بشكل رئيسي في تكنولوجيا السيراميك والمعادن. واستخدمت أكاسيد اليورانيوم على نطاق واسع لتلوين الزجاج بألوان تتراوح من الأصفر الباهت إلى الأخضر الداكن، مما ساهم في تطوير إنتاج الزجاج غير المكلف. اليوم، يتم تعريف المنتجات من هذه الصناعات على أنها فلورسنت تحت الأشعة فوق البنفسجية. خلال الحرب العالمية الأولى وبعد ذلك بوقت قصير، تم استخدام اليورانيوم في شكل كربيد في إنتاج أدوات الفولاذ، على غرار Mo وW؛ تم استبدال التنغستن بنسبة 4-8% من اليورانيوم، وكان إنتاجه محدودًا في ذلك الوقت. للحصول على فولاذ الأدوات في 1914-1926، تم إنتاج عدة أطنان من الحديدورونيوم الذي يحتوي على ما يصل إلى 30% (كتلة) من اليورانيوم سنويًا، ومع ذلك، فإن هذا الاستخدام لليورانيوم لم يدم طويلًا.

الاستخدامات الحديثة لليورانيوم

بدأت صناعة اليورانيوم في التبلور عام 1939، عندما تم انشطار نظير اليورانيوم 235 يو، مما أدى إلى التنفيذ الفني للتفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة لانشطار اليورانيوم في ديسمبر 1942. وكانت هذه ولادة عصر الذرة عندما نما اليورانيوم من عنصر تافه إلى أحد أهم العناصر في حياة المجتمع. الأهمية العسكرية لليورانيوم في إنتاج القنبلة الذرية واستخدامه كوقود في المفاعلات النوويةتسبب في زيادة الطلب على اليورانيوم بشكل فلكي. إن التسلسل الزمني لنمو الطلب على اليورانيوم استنادًا إلى تاريخ الرواسب في بحيرة غريت بير (كندا) مثير للاهتمام. وفي عام 1930، تم اكتشاف خليط الراتنج في هذه البحيرة، وهو خليط من أكاسيد اليورانيوم، وفي عام 1932، تم إنشاء تقنية تنقية الراديوم في هذه المنطقة. ومن كل طن من الخام (خليط الراتينج) تم الحصول على 1 جرام من الراديوم وحوالي نصف طن من المنتج الثانوي، مركز اليورانيوم. ومع ذلك، كان هناك القليل من الراديوم وتوقف تعدينه. ومن عام 1940 إلى عام 1942، تم استئناف التطوير وبدأ شحن خام اليورانيوم إلى الولايات المتحدة. وفي عام 1949، تم استخدام عملية تنقية مماثلة لليورانيوم، مع بعض التحسينات، لإنتاج اليورانيوم النقي 2 . لقد نما هذا الإنتاج وأصبح الآن أحد أكبر مرافق إنتاج اليورانيوم.

ملكيات.

اليورانيوم هو أحد أثقل العناصر الموجودة في الطبيعة. المعدن النقي كثيف جدًا، ومرن، وموجب للكهرباء، وموصلية كهربائية منخفضة، وشديد التفاعل.

يحتوي اليورانيوم على ثلاثة تعديلات تآصلية: أ-اليورانيوم (شبكة بلورية تقويمية) موجود في نطاق من درجة حرارة الغرفة إلى 668 درجة مئوية؛ ب- اليورانيوم (شبكة بلورية معقدة من النوع الرباعي)، مستقر في نطاق 668-774 درجة مئوية؛ زاليورانيوم (شبكة بلورية مكعبة مركزية الجسم)، مستقر من 774 درجة مئوية حتى نقطة الانصهار (1132 درجة مئوية). وبما أن جميع نظائر اليورانيوم غير مستقرة، فإن جميع مركباته تظهر نشاطًا إشعاعيًا.

نظائر اليورانيوم

يوجد 238 U، 235 U، 234 U في الطبيعة بنسبة 99.3:0.7:0.0058، ويتواجد 236 U بكميات ضئيلة. ويتم الحصول على جميع نظائر اليورانيوم الأخرى من 226 يو إلى 242 يو بشكل صناعي. النظير 235 U له أهمية خاصة. وتحت تأثير النيوترونات البطيئة (الحرارية)، فإنها تنقسم، وتطلق طاقة هائلة. يؤدي الانشطار الكامل لـ 235 U إلى إطلاق "مكافئ طاقة حرارية" قدره 2H 10 7 kWh h/kg. يمكن استخدام انشطار 235 U ليس فقط لإنتاج كميات كبيرة من الطاقة، ولكن أيضًا لتركيب عناصر الأكتينيدات المهمة الأخرى. يمكن استخدام نظير اليورانيوم الطبيعي في المفاعلات النووية لإنتاج النيوترونات الناتجة عن انشطار 235 يو، في حين يمكن التقاط النيوترونات الزائدة التي لا يتطلبها التفاعل المتسلسل بواسطة نظير طبيعي آخر، مما يؤدي إلى إنتاج البلوتونيوم:

عندما يتم قصف 238U بالنيوترونات السريعة، تحدث التفاعلات التالية:

وفقًا لهذا المخطط، يمكن تحويل النظير الأكثر شيوعًا 238 U إلى بلوتونيوم 239، والذي، مثل 235 U، قادر أيضًا على الانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة.

حاليًا، تم الحصول على عدد كبير من نظائر اليورانيوم الاصطناعية. من بينها، يعتبر 233U ملحوظًا بشكل خاص لأنه ينشطر أيضًا عند التفاعل مع النيوترونات البطيئة.

غالبًا ما تُستخدم بعض نظائر اليورانيوم الاصطناعية الأخرى كمتتبعات إشعاعية في الأبحاث الكيميائية والفيزيائية؛ هذا هو أولا وقبل كل شيء ب- باعث 237 يو و أ- باعث 232 ش.

روابط.

اليورانيوم هو معدن شديد التفاعل، وله حالات أكسدة من +3 إلى +6، وهو قريب من البريليوم في سلسلة النشاط، ويتفاعل مع جميع اللافلزات ويشكل مركبات بين الفلزات مع Al، Be، Bi، Co، Cu، Fe، Hg والمغنيسيوم والنيكل والرصاص والقصدير والزنك. يعتبر اليورانيوم المسحوق جيدًا تفاعليًا بشكل خاص، وعند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية، غالبًا ما يدخل في تفاعلات مميزة لهيدريد اليورانيوم. يحترق اليورانيوم المقطوع أو النشارة بشكل ساطع عند درجة حرارة 700-1000 درجة مئوية، ويحترق بخار اليورانيوم بالفعل عند درجة حرارة 150-250 درجة مئوية، ويتفاعل اليورانيوم مع HF عند درجة حرارة 200-400 درجة مئوية، مكونًا UF 4 وH 2 . يذوب اليورانيوم ببطء في HF أو H 2 SO 4 و 85٪ H 3 PO 4 حتى عند 90 درجة مئوية، ولكنه يتفاعل بسهولة مع conc. حمض الهيدروكلوريك وأقل نشاطا مع HBr أو HI. تحدث التفاعلات الأكثر نشاطًا وسرعة لليورانيوم مع HNO 3 المخفف والمركز مع تكوين نترات اليورانيل ( انظر أدناه). في وجود حمض الهيدروكلوريك، يذوب اليورانيوم بسرعة في الأحماض العضوية، ويشكل أملاح U4+ العضوية. اعتمادًا على درجة الأكسدة، يشكل اليورانيوم عدة أنواع من الأملاح (أهمها أملاح U4+، وأحدها UCl4 وهو ملح أخضر سهل الأكسدة)؛ أملاح اليورانيل (الجذرية UO 2 2+) من النوع UO 2 (NO 3) 2 تكون صفراء اللون وأخضر متألق. تتشكل أملاح اليورانيل عن طريق إذابة الأكسيد المذبذب UO 3 (اللون الأصفر) في وسط حمضي. في البيئة القلوية، يشكل UO 3 يورات مثل Na 2 UO 4 أو Na 2 U 2 O 7. ويستخدم المركب الأخير ("اليورانيل الأصفر") في صناعة طلاء الخزف وفي إنتاج زجاج الفلورسنت.

تمت دراسة هاليدات اليورانيوم على نطاق واسع في 1940-1950، حيث تم استخدامها لتطوير طرق لفصل نظائر اليورانيوم للقنبلة الذرية أو المفاعل النووي. تم الحصول على ثلاثي فلوريد اليورانيوم UF 3 عن طريق اختزال UF 4 بالهيدروجين، وتم الحصول على رباعي فلوريد اليورانيوم UF 4 طرق مختلفةعن طريق تفاعلات HF مع أكاسيد مثل UO 3 أو U 3 O 8 أو عن طريق الاختزال الكهربائي لمركبات اليورانيل. يتم الحصول على سداسي فلوريد اليورانيوم UF 6 عن طريق فلورة U أو UF 4 مع الفلور العنصري أو عن طريق عمل الأكسجين على UF 4 . يشكل سداسي فلوريد بلورات شفافة ذات معامل انكسار مرتفع عند 64 درجة مئوية (1137 ملم زئبق)؛ المركب متطاير (تتطاير تحت الضغط العادي عند درجة حرارة 56.54 درجة مئوية). أوكسوهاليدات اليورانيوم، على سبيل المثال، أوكسوفلوريد، لها التركيبة UO 2 F 2 (فلوريد اليورانيل)، UOF 2 (ثاني فلوريد أكسيد اليورانيوم).

اليورانيوم عنصر كيميائي من عائلة الأكتينيدات برقم ذري 92. وهو أهم الوقود النووي. ويبلغ تركيزه في القشرة الأرضية حوالي 2 جزء في المليون. تشمل معادن اليورانيوم المهمة أكسيد اليورانيوم (U3O8)، واليورانينيت (UO2)، والكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم)، والأوتينيت (فوسفات يورانيل البوتاسيوم)، والتوربرنيت (فوسفات يورانيل النحاس المائي). تعتبر هذه الخامات وغيرها من خامات اليورانيوم مصادر للوقود النووي وتحتوي على طاقة أكبر بعدة مرات من جميع رواسب الوقود الأحفوري المعروفة القابلة للاسترداد. يوفر 1 كجم من اليورانيوم 92 U نفس الطاقة التي يوفرها 3 ملايين كجم من الفحم.

تاريخ الاكتشاف

العنصر الكيميائي اليورانيوم عبارة عن معدن صلب كثيف ذو لون أبيض فضي. إنها قابلة للطرق والطرق والتلميع. في الهواء، يتأكسد المعدن، وعندما يتم سحقه، يشتعل. يوصل الكهرباء بشكل سيء نسبيا. الصيغة الإلكترونية لليورانيوم هي 7s2 6d1 5f3.

على الرغم من أن العنصر تم اكتشافه في عام 1789 على يد الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث، الذي أطلق عليه اسم كوكب أورانوس المكتشف حديثًا، إلا أن المعدن نفسه تم عزله في عام 1841 على يد الكيميائي الفرنسي يوجين ملكيور بيليجوت عن طريق الاختزال من رابع كلوريد اليورانيوم (UCl 4) مع البوتاسيوم.

النشاط الإشعاعي

أدى إنشاء الجدول الدوري على يد الكيميائي الروسي دميتري مندلييف في عام 1869 إلى تركيز الاهتمام على اليورانيوم باعتباره أثقل عنصر معروف، وبقي على حاله حتى اكتشاف النبتونيوم في عام 1940. وفي عام 1896، اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل ظاهرة النشاط الإشعاعي فيه. تم العثور على هذه الخاصية لاحقًا في العديد من المواد الأخرى. ومن المعروف الآن أن اليورانيوم المشع بجميع نظائره يتكون من خليط من 238 يو (99.27%، عمر النصف - 4.510.000.000 سنة)، 235 يو (0.72%، عمر النصف - 713.000.000 سنة) و234 يو (0.006). ٪، عمر النصف - 247000 سنة). وهذا يسمح، على سبيل المثال، بتحديد العمر الصخوروالمعادن لدراسة العمليات الجيولوجية وعمر الأرض. وللقيام بذلك، قاموا بقياس كمية الرصاص، وهو المنتج النهائي للتحلل الإشعاعي لليورانيوم. في هذه الحالة، 238 U هو العنصر الأولي، و234 U هو أحد المنتجات. 235 U يؤدي إلى ظهور سلسلة اضمحلال الأكتينيوم.

اكتشاف التفاعل المتسلسل

أصبح عنصر اليورانيوم الكيميائي موضع اهتمام واسع النطاق ودراسة مكثفة بعد أن اكتشف الكيميائيان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان الانشطار النووي فيه في نهاية عام 1938 عندما تم قصفه بالنيوترونات البطيئة. في بداية عام 1939، اقترح الفيزيائي الأمريكي الإيطالي إنريكو فيرمي أنه من بين نواتج الانشطار الذري يمكن أن يكون هناك الجسيمات الأوليةقادرة على التسبب في سلسلة من ردود الفعل. وفي عام 1939، أكد الفيزيائيان الأمريكيان ليو زيلارد وهيربرت أندرسون، وكذلك الكيميائي الفرنسي فريدريك جوليو كوري وزملاؤهما هذا التنبؤ. وأظهرت الدراسات اللاحقة أنه، في المتوسط، يتم إطلاق 2.5 نيوترون عند انشطار الذرة. أدت هذه الاكتشافات إلى أول تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة (1942/02/12)، وأول تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة (1942/02/12)، قنبلة ذرية(16/07/1945)، أول استخدام لها أثناء العمليات العسكرية (1945/08/08)، أول غواصة نووية (1955) وأول محطة طاقة نووية واسعة النطاق (1957).

الأكسدة

عنصر اليورانيوم الكيميائي، وهو معدن قوي موجب للكهرباء، يتفاعل مع الماء. يذوب في الأحماض، ولكن ليس في القلويات. حالات الأكسدة المهمة هي +4 (كما هو الحال في أكسيد UO 2، ورباعي الهاليدات مثل UCl 4، وأيون الماء الأخضر U4+) و+6 (كما هو الحال في أكسيد UO 3، وسداسي فلوريد اليورانيوم 6، وأيون اليورانيل UO 2 2+). في المحلول المائي، يكون اليورانيوم أكثر استقرارًا في تكوين أيون اليورانيل، الذي له بنية خطية [O = U = O] 2+. يحتوي العنصر أيضًا على حالات +3 و+5، لكنها غير مستقرة. يتأكسد Red U 3+ ببطء في الماء الذي لا يحتوي على الأكسجين. لون أيون UO 2+ غير معروف لأنه يخضع لعدم التناسب (يتم اختزال UO 2+ إلى U 4+ ويتأكسد إلى UO 2 2+) حتى في المحاليل المخففة جدًا.

وقود نووي

عند تعرضها للنيوترونات البطيئة، يحدث انشطار ذرة اليورانيوم في النظير النادر نسبيًا 235 يو. وهذه هي المادة الانشطارية الوحيدة التي تحدث بشكل طبيعي، ويجب فصلها عن النظير 238 يو. ومع ذلك، بعد الامتصاص واضمحلال بيتا السلبي، يصبح اليورانيوم -238 يتحول إلى عنصر البلوتونيوم الاصطناعي الذي ينقسم تحت تأثير النيوترونات البطيئة. ولذلك، يمكن استخدام اليورانيوم الطبيعي في مفاعلات المحول والمولد، حيث يتم دعم الانشطار بواسطة 235 يو نادر ويتم إنتاج البلوتونيوم في وقت واحد مع تحويل 238 يو. يمكن تصنيع اليورانيوم 233 الانشطاري من نظير الثوريوم 232 الموجود بشكل طبيعي على نطاق واسع لاستخدامه كوقود نووي. يعد اليورانيوم مهمًا أيضًا باعتباره المادة الأولية التي يتم من خلالها الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم الاصطناعية.

استخدامات أخرى لليورانيوم

وكانت مركبات العنصر الكيميائي تستخدم في السابق كأصباغ للسيراميك. سداسي فلوريد (UF 6) مادة صلبة غير عادية ضغط مرتفعالأبخرة (0.15 ضغط جوي = 15300 باسكال) عند 25 درجة مئوية. يعد UF 6 شديد التفاعل كيميائيًا، ولكن على الرغم من طبيعته المسببة للتآكل في حالة البخار، فإنه يستخدم على نطاق واسع في الانتشار الغازي وطرق الطرد المركزي الغازي لإنتاج اليورانيوم المخصب.

المركبات العضوية المعدنية هي مجموعة مثيرة للاهتمام ومهمة من المركبات التي تربط فيها روابط الكربون المعدنية المعدن بالمجموعات العضوية. اليورانوسين هو مركب عضوي عضوي U(C 8 H 8) 2 حيث تقع ذرة اليورانيوم بين طبقتين من الحلقات العضوية المرتبطة بـ سيكلو أوكتاتترين C 8 H 8. فتح اكتشافه في عام 1968 مجالًا جديدًا للكيمياء العضوية المعدنية.

ويستخدم اليورانيوم الطبيعي المنضب كوقاية من الإشعاع، وكصابورة، وفي القذائف الخارقة للدروع ودروع الدبابات.

إعادة التدوير

العنصر الكيميائي، على الرغم من كثافته العالية (19.1 جم/سم3)، إلا أنه مادة ضعيفة نسبيًا وغير قابلة للاشتعال. في الواقع، يبدو أن الخصائص المعدنية لليورانيوم تضعه في مكان ما بين الفضة والمعادن الحقيقية الأخرى وغير المعدنية، لذلك لا يتم استخدامه كمادة هيكلية. تكمن القيمة الرئيسية لليورانيوم في الخصائص المشعة لنظائره وقدرتها على الانشطار. في الطبيعة، يتكون كل المعدن تقريبًا (99.27%) من 238 U. والباقي هو 235 U (0.72%) و234 U (0.006%). ومن بين هذه النظائر الطبيعية، يتم انشطار 235 يو فقط مباشرة عن طريق تشعيع النيوترونات. ومع ذلك، عند امتصاصه، يشكل 238 U 239 U، والذي يضمحل في النهاية إلى 239 Pu، وهي مادة انشطارية لها أهمية عظيمةللطاقة النووية و أسلحة نووية. يمكن تكوين نظير انشطاري آخر، 233 U، عن طريق تشعيع النيوترونات بقوة 232 ث.

أشكال كريستال

خصائص اليورانيوم تجعله يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين حتى في الظروف العادية. عند درجات الحرارة المرتفعة يتفاعل مع مجموعة واسعة من معادن السبائك لتكوين مركبات بين المعادن. يعد تكوين المحاليل الصلبة مع معادن أخرى أمرًا نادرًا بسبب الهياكل البلورية الخاصة التي تشكلها ذرات العنصر. بين درجة حرارة الغرفة ونقطة الانصهار البالغة 1132 درجة مئوية، يوجد معدن اليورانيوم في 3 أشكال بلورية تعرف باسم ألفا (α)، وبيتا (β) وغاما (γ). يحدث التحول من الحالة α- إلى الحالة β عند 668 درجة مئوية ومن β إلى γ عند 775 درجة مئوية. يحتوي اليورانيوم γ على بنية بلورية مكعبة متمركزة حول الجسم، في حين أن β له بنية بلورية رباعية الزوايا. يتكون الطور α من طبقات من الذرات في بنية عظمية متناظرة للغاية. يمنع هذا الهيكل المشوه متباين الخواص ذرات فلز السبائك من استبدال ذرات اليورانيوم أو احتلال المساحة بينها في الشبكة البلورية. وقد وجد أن الموليبدينوم والنيوبيوم فقط يشكلان محاليل صلبة.

خام

تحتوي القشرة الأرضية على حوالي 2 جزء في المليون من اليورانيوم، مما يشير إلى وجوده على نطاق واسع في الطبيعة. وتشير التقديرات إلى أن المحيطات تحتوي على 4.5 × 10 9 طن من هذا العنصر الكيميائي. يعد اليورانيوم مكونًا مهمًا لأكثر من 150 معدنًا مختلفًا ومكونًا ثانويًا لـ 50 معدنًا آخر. وتشمل المعادن الأولية الموجودة في الأوردة الحرارية المائية المنصهرة والبيغماتيت اليورانيت ومشتقاته من البتشبلند. في هذه الخامات يحدث العنصر في شكل ثاني أكسيد، والذي يمكن أن يتراوح بسبب الأكسدة من UO 2 إلى UO 2.67. المنتجات الأخرى ذات الأهمية الاقتصادية من مناجم اليورانيوم هي الأوتونيت (فوسفات يورانيل الكالسيوم المائي)، التوبيرنيت (فوسفات اليورانيل النحاسي المائي)، الكوفينيت (سيليكات اليورانيوم المائي الأسود) والكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم المائي).

وتشير التقديرات إلى أن أكثر من 90% من احتياطيات اليورانيوم منخفض التكلفة المعروفة تقع في أستراليا وكازاخستان وكندا وروسيا وجنوب أفريقيا والنيجر وناميبيا والبرازيل والصين ومنغوليا وأوزبكستان. توجد رواسب كبيرة في التكوينات الصخرية المتكتلة في بحيرة إليوت، الواقعة شمال بحيرة هورون في أونتاريو، كندا، وفي منجم الذهب ويتواترسراند بجنوب إفريقيا. تحتوي التكوينات الرملية في هضبة كولورادو وحوض وايومنغ في غرب الولايات المتحدة أيضًا على احتياطيات كبيرة من اليورانيوم.

إنتاج

توجد خامات اليورانيوم في الرواسب القريبة من السطح والعميقة (300-1200 م). تحت الأرض يصل سمك التماس إلى 30 م، وكما هو الحال في خامات المعادن الأخرى، يتم استخراج اليورانيوم على السطح باستخدام معدات تحريك التربة الكبيرة، ويتم تطوير الرواسب العميقة باستخدام الطرق التقليدية العمودية والمائلة مناجم. بلغ الإنتاج العالمي من اليورانيوم المركز عام 2013 حوالي 70 ألف طن، وتقع أكثر مناجم اليورانيوم إنتاجًا في كازاخستان (32% من إجمالي الإنتاج) وكندا وأستراليا والنيجر وناميبيا وأوزبكستان وروسيا.

تحتوي خامات اليورانيوم عادةً على كميات صغيرة فقط من المعادن المحتوية على اليورانيوم ولا تكون قابلة للصهر بطرق المعالجة المعدنية الحرارية المباشرة. وبدلاً من ذلك، يجب استخدام إجراءات المعالجة المعدنية المائية لاستخراج اليورانيوم وتنقيته. تؤدي زيادة التركيز إلى تقليل الحمل على دوائر المعالجة بشكل كبير، ولكن لا يمكن تطبيق أي من طرق الإثراء التقليدية المستخدمة عادة في معالجة المعادن، مثل الجاذبية والتعويم والفرز الكهروستاتيكي وحتى الفرز اليدوي. ومع استثناءات قليلة، تؤدي هذه الأساليب إلى خسارة كبيرة في اليورانيوم.

احتراق

غالبًا ما تسبق المعالجة الميتالورجية المائية لخامات اليورانيوم مرحلة تكليس بدرجة حرارة عالية. يؤدي الحرق إلى تجفيف الطين، وإزالة المواد الكربونية، وأكسدة مركبات الكبريت إلى كبريتات غير ضارة، وأكسدة أي عوامل اختزال أخرى قد تتداخل مع المعالجة اللاحقة.

الترشيح

يتم استخلاص اليورانيوم من الخامات المحمصة بواسطة المحاليل المائية الحمضية والقلوية. لكي تعمل جميع أنظمة الترشيح بنجاح، يجب أن يكون العنصر الكيميائي موجودًا في البداية في شكل سداسي التكافؤ الأكثر استقرارًا أو أن يتم أكسدته إلى هذه الحالة أثناء المعالجة.

يتم إجراء الترشيح الحمضي عادةً عن طريق تحريك خليط من الخام والمادة المسيلة لمدة تتراوح بين 4 و48 ساعة عند درجة حرارة بيئة. إلا في حالات خاصة، يتم استخدام حمض الكبريتيك. يتم توفيره بكميات كافية للحصول على السائل النهائي عند درجة حموضة 1.5. تستخدم مخططات ترشيح حمض الكبريتيك عادةً ثاني أكسيد المنغنيز أو الكلورات لأكسدة رباعي التكافؤ U4+ إلى اليورانيل سداسي التكافؤ (UO22+). عادة، ما يقرب من 5 كجم من ثاني أكسيد المنغنيز أو 1.5 كجم من كلورات الصوديوم لكل طن كافية لأكسدة U 4+. في كلتا الحالتين، يتفاعل اليورانيوم المؤكسد مع حمض الكبريتيك لتكوين أنيون معقد كبريتات اليورانيل 4-.

يتم ترشيح الخام الذي يحتوي على كميات كبيرة من المعادن الأساسية مثل الكالسيت أو الدولوميت بمحلول مولاري 0.5-1 من كربونات الصوديوم. على الرغم من دراسة واختبار الكواشف المختلفة، فإن العامل المؤكسد الرئيسي لليورانيوم هو الأكسجين. عادة، يتم ترشيح الخام في الهواء عند الضغط الجويوعند درجة حرارة 75-80 درجة مئوية لمدة زمنية تعتمد على النوعية التركيب الكيميائي. تتفاعل القلويات مع اليورانيوم لتكوين الأيون المركب القابل للذوبان بسهولة 4-.

يجب توضيح المحاليل الناتجة عن ترشيح الأحماض أو الكربونات قبل إجراء المزيد من المعالجة. يتم تحقيق فصل واسع النطاق للطين وملاط الخامات الأخرى من خلال استخدام عوامل تلبد فعالة، بما في ذلك بولي أكريلاميد وصمغ الغوار والغراء الحيواني.

اِستِخلاص

يمكن امتصاص الأيونات المعقدة 4 و4 من محاليل الترشيح الخاصة براتنج التبادل الأيوني. يمكن استخدام هذه الراتنجات المتخصصة، التي تتميز بحركية الامتزاز والشطف، وحجم الجسيمات، والاستقرار، والخصائص الهيدروليكية، في مجموعة متنوعة من تقنيات المعالجة، مثل السرير الثابت، والسرير المتحرك، وراتنج السلة، والراتنج المستمر. عادة، يتم استخدام محاليل كلوريد الصوديوم والأمونيا أو النترات لإزالة اليورانيوم الممتص.

يمكن عزل اليورانيوم من سوائل الخام الحمضية عن طريق الاستخلاص بالمذيبات. وتستخدم أحماض ألكيلفوسفوريك، وكذلك ألكيلامين الثانوية والثالثية، في الصناعة. بشكل عام، يُفضل الاستخلاص بالمذيبات على طرق التبادل الأيوني للمرشحات الحمضية التي تحتوي على أكثر من 1 جم/لتر من اليورانيوم. ومع ذلك، لا تنطبق هذه الطريقة على ترشيح الكربونات.

تتم بعد ذلك تنقية اليورانيوم عن طريق إذابته في حمض النيتريك لتكوين نترات اليورانيل، ثم استخلاصه وتبلوره وتكليسه لتكوين ثالث أكسيد اليورانيوم. يتفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم المخفض مع فلوريد الهيدروجين لتكوين ثيتافلورايد UF4، والذي يتم اختزال معدن اليورانيوم منه بواسطة المغنيسيوم أو الكالسيوم عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية.

يمكن فلورة رباعي فلوريد عند 350 درجة مئوية لتكوين سداسي فلوريد UF 6، والذي يستخدم لفصل اليورانيوم المخصب عن طريق الانتشار الغازي، أو الطرد المركزي للغاز، أو الانتشار الحراري السائل.

أورانوس هو أحد العناصر المعدنية الثقيلة في الجدول الدوري. ويستخدم اليورانيوم على نطاق واسع في صناعات الطاقة والصناعات العسكرية. في الجدول الدوري يمكن العثور عليه بالرقم 92 ويشار إليه بالحرف اللاتيني U برقم كتلي 238.

كيف تم اكتشاف أورانوس

بشكل عام، كان هذا العنصر الكيميائي، مثل اليورانيوم، معروفا لفترة طويلة جدا. ومن المعروف أنه حتى قبل عصرنا، تم استخدام أكسيد اليورانيوم الطبيعي لتصنيع طلاء السيراميك الأصفر. يمكن إرجاع اكتشاف هذا العنصر إلى عام 1789، عندما اكتشف الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث مادة سوداء تشبه المعدن من خام. وقرر مارتن تسمية هذه المادة بأورانوس لدعم اسم الكوكب المكتشف الجديد والذي يحمل نفس الاسم (تم اكتشاف كوكب أورانوس في نفس العام). وفي عام 1840، تم الكشف عن أن هذه المادة، التي اكتشفها كلابروث، تبين أنها عبارة عن أكسيد اليورانيوم، على الرغم من البريق المعدني المميز. قام يوجين ملكيور بيليجوت بتصنيع اليورانيوم الذري من الأكسيد وحدد وزنه الذري بـ 120 وحدة فلكية، وفي عام 1874 ضاعف مندليف هذه القيمة، ووضعه في أبعد خلية في طاولته. وبعد 12 عامًا فقط، تم تأكيد قرار مندليف بمضاعفة الكتلة من خلال تجارب الكيميائي الألماني زيمرمان.

أين وكيف يتم استخراج اليورانيوم؟

اليورانيوم عنصر شائع إلى حد ما، ولكنه شائع في شكل خام اليورانيوم. ولكي تفهم فإن محتواه في القشرة الأرضية هو 0.00027% من الكتلة الإجمالية للأرض. يوجد خام اليورانيوم عادةً في الصخور المعدنية الحمضية التي تحتوي على نسبة عالية من السيليكون. الأنواع الرئيسية لخامات اليورانيوم هي البتشبلند والكارنوتيت والكاسوليت والسامارسكيت. أكبر احتياطيات من خامات اليورانيوم، مع الأخذ في الاعتبار الودائع الاحتياطية، موجودة في دول مثل أستراليا وروسيا وكازاخستان، ومن بين كل هذه الدول تحتل كازاخستان مكانة رائدة. يعد تعدين اليورانيوم إجراءً صعبًا ومكلفًا للغاية. لا تستطيع جميع البلدان أن تتحمل تكاليف استخراج وتصنيع اليورانيوم النقي. تكنولوجيا الإنتاج هي كما يلي: يتم استخراج الخام أو المعادن في المناجم، مقارنة بالذهب أو الأحجار الكريمة. يتم سحق الصخور المستخرجة وخلطها بالماء لفصل غبار اليورانيوم عن الباقي. غبار اليورانيوم ثقيل جدًا ولذلك فهو يترسب بشكل أسرع من غيره. والخطوة التالية هي تنقية غبار اليورانيوم من الصخور الأخرى عن طريق الترشيح الحمضي أو القلوي. يبدو الإجراء كالتالي: يتم تسخين خليط اليورانيوم إلى 150 درجة مئوية ويتم توفير الأكسجين النقي تحت الضغط. ونتيجة لذلك يتكون حمض الكبريتيك الذي ينقي اليورانيوم من الشوائب الأخرى. حسنا، في المرحلة النهائية، يتم اختيار جزيئات اليورانيوم النقي. بالإضافة إلى غبار اليورانيوم، هناك أيضًا معادن مفيدة أخرى.

خطورة الإشعاع الإشعاعي الناتج عن اليورانيوم

الجميع يدرك جيدًا مفهوم الإشعاع الإشعاعي وحقيقة أنه يسبب ضررًا صحيًا لا يمكن إصلاحه، مما يؤدي إلى الوفاة. واليورانيوم هو أحد العناصر التي يمكنها، في ظل ظروف معينة، إطلاق إشعاعات مشعة. في شكل حر، اعتمادًا على تنوعه، يمكنه إصدار أشعة ألفا وبيتا. لا تشكل أشعة ألفا خطرا كبيرا على الإنسان إذا كان التشعيع خارجيا، إذ أن لهذا الإشعاع قدرة اختراق منخفضة، ولكن عندما يدخل الجسم يسبب ضررا لا يمكن إصلاحه. فحتى ورقة الكتابة تكفي لاحتواء أشعة ألفا الخارجية. مع إشعاع بيتا، الأمور أكثر خطورة، ولكن ليس كثيرًا. قوة اختراق إشعاع بيتا أعلى من قوة إشعاع ألفا، ولكن ستكون هناك حاجة إلى 3-5 ملم من الأنسجة لاحتواء إشعاع بيتا. هل يمكن أن تخبرني كيف هذا؟ اليورانيوم عنصر مشع يستخدم في الأسلحة النووية! هذا صحيح، فهو يستخدم في الأسلحة النووية، التي تسبب ضررا هائلا لجميع الكائنات الحية. إنه مجرد أنه عندما ينفجر رأس حربي نووي، فإن الضرر الرئيسي الذي يلحق بالكائنات الحية يحدث بسبب إشعاعات جاما وتدفق النيوترونات. وتتشكل هذه الأنواع من الإشعاع نتيجة تفاعل نووي حراري أثناء انفجار رأس حربي، مما يؤدي إلى إخراج جزيئات اليورانيوم من حالتها المستقرة وتدمير كل أشكال الحياة على الأرض.

أصناف اليورانيوم

كما ذكرنا سابقًا، لليورانيوم عدة أنواع. تشير الأصناف إلى وجود النظائر، لذا كما تعلم، تشير النظائر إلى نفس العناصر، ولكن بأعداد كتلية مختلفة.

لذلك هناك نوعان:

1. طبيعي؛
2. صناعي؛

كما كنت قد خمنت، فإن الطبيعي هو الذي يتم استخراجه من الأرض، أما الاصطناعي فهو من صنع الناس بأنفسهم. تشمل النظائر الطبيعية نظائر اليورانيوم ذات الأعداد الكتلية 238 و235 و234. علاوة على ذلك، فإن اليورانيوم 234 هو ابنة لليورانيوم 238، أي أنه يتم الحصول على الأول من اضمحلال الثاني في الظروف الطبيعية. المجموعة الثانية من النظائر، والتي يتم إنشاؤها بشكل مصطنع، لها أعداد كتلية من 217 إلى 242. ولكل من النظائر خصائص مختلفة وتتميز بسلوك مختلف في ظل ظروف معينة. اعتمادًا على الاحتياجات، يحاول العلماء النوويون إيجاد جميع أنواع الحلول للمشاكل، لأن كل نظير له نظير مختلف قيمة الطاقة.

نصف الحياة

كما ذكرنا أعلاه، فإن كل نظائر من نظائر اليورانيوم لها قيمة طاقة مختلفة وخصائص مختلفة، أحدها هو عمر النصف. من أجل فهم ما هو عليه، عليك أن تبدأ بالتعريف. عمر النصف هو الوقت الذي يقل فيه عدد الذرات المشعة بمقدار النصف. ويؤثر عمر النصف على العديد من العوامل، على سبيل المثال قيمة الطاقة أو التنقية الكاملة. إذا أخذنا الأخير كمثال، يمكننا حساب المدة التي ستستغرقها إزالة التلوث الإشعاعي من الأرض بشكل كامل. نصف عمر نظائر اليورانيوم:

وكما يتبين من الجدول، فإن عمر النصف للنظائر يختلف من دقائق إلى مئات الملايين من السنين. يجد كل واحد منهم تطبيقًا في مجالات مختلفة من حياة الناس.

وينتشر استخدام اليورانيوم على نطاق واسع في العديد من مجالات النشاط، لكنه ذو قيمة أكبر في قطاعي الطاقة والقطاع العسكري. النظير U-235 هو الأكثر أهمية. وتتمثل ميزتها في أنها قادرة على إجراء تفاعل نووي متسلسل بشكل مستقل، والذي يستخدم على نطاق واسع في الشؤون العسكرية لتصنيع الأسلحة النووية وكوقود في المفاعلات النووية. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم اليورانيوم على نطاق واسع في الجيولوجيا لتحديد عمر المعادن والصخور، وكذلك لتحديد مسار العمليات الجيولوجية. وفي صناعات السيارات والطائرات، يُستخدم اليورانيوم المنضب كعنصر ثقل موازن ومركزي. تم العثور على التطبيق أيضًا في الرسم، وبشكل أكثر تحديدًا كطلاء للخزف ولتصنيع طلاء السيراميك والمينا. هناك نقطة أخرى مثيرة للاهتمام وهي استخدام اليورانيوم المنضب للحماية من الإشعاع الإشعاعي، رغم أن الأمر قد يبدو غريبًا.

في بوهيميا (تشيكوسلوفاكيا)، تم استخراج الخامات المتعددة المعادن لفترة طويلة. من بين الخامات والمعادن، غالبًا ما اكتشف عمال المناجم معدنًا أسود ثقيلًا، يُسمى بخليط القار (Pechblende). في القرن ال 18 وكان يعتقد أن هذا المعدن يحتوي على الزنك والحديد، ولكن لا توجد بيانات دقيقة عن تكوينه. تم إجراء أول دراسة لمزيج الراتنج في عام 1789 من قبل الكيميائي التحليلي الألماني كلابروث. بدأ بدمج المعدن مع البوتاسيوم الكاوي في بوتقة فضية؛ كان كلابروث قد طور هذه الطريقة قبل فترة وجيزة لنقل السيليكات والمواد الأخرى غير القابلة للذوبان إلى المحلول. ومع ذلك، فإن منتج الاندماج المعدني لم يذوب بالكامل. ومن هنا توصل كلابروث إلى استنتاج مفاده أن المعدن لا يحتوي على الموليبدينوم ولا التنغستن، ولكن هناك مادة غير معروفة تحتوي على معدن جديد. حاول كلابروث إذابة المعدن الموجود في حمض النيتريك والأكوا ريجيا. وفي بقايا الذوبان وجد حمض السلسيليكوالقليل من الكبريت ، وبعد فترة سقطت بلورات جميلة ذات لون أصفر مخضر فاتح على شكل ألواح سداسية من المحلول. تحت تأثير ملح الدم الأصفر، يترسب راسب بني-أحمر من محلول هذه البلورات، ويمكن تمييزه بسهولة عن الرواسب المماثلة من النحاس والموليبدينوم. كان على كلابروث أن يعمل بجد قبل أن يتمكن من العزلة المعدن النقي. قام باختزال الأكسيد بالبوراكس والفحم و زيت بذر الكتانولكن في جميع الأحوال، عندما يتم تسخين الخليط، يتكون مسحوق أسود. فقط نتيجة للمعالجة الثانوية لهذا المسحوق (التسخين في خليط مع البوراكس والفحم) تم الحصول على كتلة ملبدة بها حبيبات صغيرة من المعدن تتخللها. أطلق كلابروث على المعدن الجديد اسم (اليورانيوم) تخليدًا لذكرى أن دراسة هذا المعدن تزامنت تقريبًا مع اكتشاف كوكب أورانوس (1781). وعن هذا الاسم، يكتب كلابروث: "في السابق، تم التعرف على وجود سبعة كواكب فقط، تقابل سبعة معادن، تم تحديدها بواسطة علامات الكواكب. وفي هذا الصدد، من المستحسن، وفقًا للتقاليد، تسمية المعدن الجديد نسبة إلى الكوكب المكتشف حديثًا. كلمة اليورانيوم تأتي من الكلمة اليونانية - السماء، وبالتالي يمكن أن تعني "المعدن السماوي". أعاد كلابروث تسمية الملعب الممزوج إلى "قار اليورانيوم". حصل بيليجو على اليورانيوم المعدني النقي لأول مرة في عام 1840. لفترة طويلةوكان لدى الكيميائيين أملاح اليورانيوم بكميات صغيرة جدًا؛ تم استخدامها لإنتاج الدهانات والتصوير الفوتوغرافي. وعلى الرغم من إجراء أبحاث على اليورانيوم، إلا أنها لم تضف سوى القليل إلى ما أسسه كلابروث. كان من المفترض أن يكون الوزن الذري لليورانيوم 120 حتى اقترح مندليف مضاعفة هذه القيمة. بعد عام 1896، عندما اكتشف بيكريل ظاهرة النشاط الإشعاعي، أثار اليورانيوم الاهتمام العميق لكل من الكيميائيين والفيزيائيين. واكتشف بيكريل أن ملح كبريتات يورانيل البوتاسيوم المزدوج له تأثير على لوحة فوتوغرافية مغلفة بورق أسود، أي أنها تصدر نوعا من الأشعة. واصل آل كوري، ومن ثم علماء آخرون، أبحاث بيكريل، مما أدى إلى اكتشاف العناصر المشعة (الراديوم والبولونيوم والأكتينيوم) والعديد من النظائر المشعة للعناصر الثقيلة. في عام 1900، اكتشف كروكس النظير الأول لليورانيوم، اليورانيوم-X، ثم تم اكتشاف نظائر أخرى تسمى اليورانيوم-1 واليورانيوم-2. في عام 1913، أظهر فاجانز وهيرينج أنه نتيجة لإشعاع بيتا، يتحول اليورانيوم-X1 إلى عنصر جديد (نظير)، أطلقوا عليه اسم البريفييوم؛ في وقت لاحق بدأ يطلق عليه اسم اليورانيوم-X 2. حتى الآن، تم اكتشاف جميع أعضاء سلسلة اليورانيوم والراديوم للتحلل الإشعاعي.