 |
сделать стартовой |  |
в избранное |
 |
||||||||||
|
| №20апрель 2008Элемент |
| Уран: история открытия |
| epps.ru / Архив номеров / №20 апрель 2008 / Уран: история открытия |
|
6 июня 1945 ослепительная вспышка над японским островом Хонсю ознаменовала переход человеческой цивилизации в новую, атомную эпоху. Бомба «Малыш», сброшенная американским летчиком на Хиросиму, несла в себе 64 килограмма урана. Но потребовалось всего 600 миллиграмм заряда, чтобы высвободить энергию, эквивалентную одновременному взрыву 16?000 тонн тротила. С тех пор элемент уран, известный лишь узкому кругу физиков и химиков, захватил умы человечества, связавшего с ним самые большие надежды и самые большие опасения XX века.
Никто не сомневается в том, что уран — элемент современности, но мало кто знает, что уран известен человечеству еще с античных времен. Это сейчас в сознании обывателя все, что связано с элементом, с порядковым номером 92, окутано пеленой таинственности и полумистического страха. Две тысячи лет назад люди были попроще, не знали еще что его надо бояться (тогда он не назывался ураном) и смело применяли природный оксид урана в качестве красителя. Он придавал красивый желтый цвет глазури, которой покрывали керамические изделия. Кучу таких желтеньких черепков археологи нашли на месте развалин Помпеи. Когда керамические амфоры ушли в прошлое, из оксида урана стали делать краски для живописи по фарфору. Серьезные художники покрывали полотна желтым пигментом, который был ничем иным, как уранатом натрия. С появлением стекольной промышленности оксидом урана стали окрашивать в веселый зеленый цвет стекла. Как видим ничего пугающего, таинственного и ультасовременного. В темные века средневековья живописцев и стекольщиков мало волновал вопрос, что именно содержится в их красках и про уран ничего не знали. Первый шаг в открытии и изучении урана был сделан в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом. Генрих сумел получить из смоляной руды черное металлоподобное вещество и окрестил его ураном в честь не так давно открытой планеты. На самом деле это был не настоящий уран, а его окисленная форма. Элементный уран впервые появился в лаборатории французского химика Юджина Пелиго лишь 50 лет спустя открытия Клапрота. И это было не металлоподобное вещество, а тяжелый металл серо-стального цвета, ковкий и гибкий, такой уран, каким мы знаем его сейчас. Следующий этап изучения урана приходится на конец XIX века и связан с французским физиком Анри Беккерелем. В 1895 были открыты таинственные Х-лучи, которые проникали сквозь большинство материалов и засвечивали фотографические пластинки, покрытые слоем светоизолирующей бумаги. Эти лучи, известные сейчас как рентгеновские, возникали при падении электронов с отрицательного электрода (катода) на стенку электронно-вакуумной лампы и сопровождались люминесценцией. Некоторое время бытовала ложная теория, что рентгеновские лучи как раз и есть продукт люминесценции. Потом выяснилось, что эти явления имеют различную природу, но отталкиваясь как раз от этой неправильной предпосылки, Анри Беккерель открыл такое совершенно правильное явление, как радиоактивность. Француза заинтересовало, сможет ли испускать рентгеновские лучи люминесцентный материал, «заряженный» не катодным излучением, а обычным солнечным светом. Беккерель взял фотографическую пластинку, завернул в черную бумагу и положил сверху небольшое количество люминесцентного материала. К великому счастью для потомков (а может быть и к несчастью) из всех всевозможных светящихся соединений Беккерель выбрал одну из солей урана — сульфат уранила калия. Физик вынес свою конструкцию на солнечный свет и продержал несколько часов. Вернувшись в лабораторию, Беккерель развернул бумагу и с удовлетворением отметил, что фотопластинка оказалась засвеченной. Присутствие рентгеновских лучей было налицо. Решив закрепить эксперимент, Беккерель понаделал несколько типовых конструкций из фотопластинок и черной бумаги. Только теперь люминесцентные препараты были различными, свой для каждой пластинки. Среди них был и все тот же сульфат уранила калия. Сложив все это богатство в темную тумбочку, Беккерель стал выносить пластинки по очереди на улицу. К великой досаде, как бы хорошо не светились под воздействием солнечного света препараты, на фотопластинках не появлялось ни малейших следов рентгеновского излучения. Поразмыслив немного, физик вернулся в лабораторию, достал из темной тумбочки дожидающуюся своего часа пластинку с солью урана, и проявил ее, не вынося на свет. Пластинка оказалась засвеченной. Беккерель начал экспериментировать с различными соединениями урана и совершенно точно установил, что сила излучения препарата напрямую зависит от количественного содержания в нем урана (чистый уран излучал в четыре раза сильнее чем его соль), и что интенсивность излучения урана не падает со временем. Так Беккерель убил двух зайцев — доказал, что рентгеновское излучение никак не связано с люминесценцией, и открыл новый тип излучения, которому дали неоригинальное название лучей Беккереля. Несколькими годами позже излучение получило новое название — радиоактивность, придуманное француженкой польского происхождения Марией Склодовской-Кюри. Мария Кюри весьма заинтересовалась новым излучением и попыталась установить, существуют ли другие, кроме урана, элементы, проявляющие свойства радиоактивности. Излучение было подтверждено у тория и у урановой смоляной обманки. Причем излучение обманки было в четыре раза сильнее чем у чистого урана. Совершенно верно решив, что обманка содержит новый, еще не известный радиоактивный элемент, Мария и ее муж Пьер приступили к работе, результатом которой стало открытие полония и радия. Радий — продукт распада урана представлял для физиков гораздо больший интерес, чем его прародитель. И долго еще урановые руды использовались только для получения радия, а сам уран считался ненужным побочным продуктом. Единственным применением для него была замена дорогого вольфрама в производстве инструментальной стали и изготовлении цветных стеклышек. Сияющее будущее урана было еще впереди. В начале 30-х годов прошлого века физиками велись опыты по бомбардировке различных химических элементов нейтронами. При проведении такой операции с ураном, в нем образовывались неизвестные радиоактивные вещества. Сразу же возникло предположение, что вещества эти — трансурановые элементы. Но тогда же прозвучало и другое мнение, так немецкий радиохимик Ида Ноддак считал возможным, что при бомбардировке нейтронами, ядра урана делятся на несколько осколков — изотопов известных элементов. Однако в расщепление ядра физикам верилось не особо, теория трансуранов казалась более убедительной. Но вот в 1939 году появляется статья физиков Лизе Майтнер и Отто Фишера, в которой убедительно доказывался распад уранового ядра на две части под воздействием нейтронов, и впервые появилось выражение «деление ядра». В том же году выводы ученых были подтверждены французским физиком Фредериком Жолио. Он изготовил «мишень» из тонкого слоя урана, нанесенного на фольгу и поместил ее в камеру с газом. Когда к мишени подносили источник нейтронов, газ ионизировался осколками урановых ядер. Подсчитав по степени ионизации энергию осколков, француз был поражен — при делении одного атома урана высвобождалась неимоверно большая энергия, эквивалентная энергии выделяемой при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В том же году подтвердилось исключительно важное предположение, что при делении атома урана выделяются дополнительные нейроны, которые тоже могут расщеплять атомы. Это значило, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой. Мир стремительно катился в эру атомной энергетики и атомных бомб. Контролируемая цепная ядерная реакция приводит к постепенному выделению энергии, что используется в атомных электростанциях. Неконтролируемая цепная ядерная реакция приводит к лавинообразному делению ядер и моментальному высвобождению огромного количества энергии — ядерному взрыву. Принцип в обоих случаях один — расщепляясь, ядро урана выпускает нейтроны, которые расщепляют соседние ядра, которые тоже выпускают нейтроны. Процесс, в принципе, может идти, пока не израсходуется весь материал. Главная проблема заключается в том, что самоподдерживающаяся ядерная реакция может происходить не в любом уране. Природный уран содержит три изотопа (изотопами называют атомные ядра одного и того же вещества, но содержащие различное количество нейтронов) — U234, U235 и U238. Основная масса естественного урана — U238, а цепную реакцию деления ядер может поддерживать только изотоп U235, которого в природном уране всего 0,7%. Чтобы получить уран пригодный для использования в энергетике или вооружении, его надо обогатить, то есть повысить процентное содержание U235. Топливный уран содержит около 4% U235, а степень обогащения оружейного урана колеблется от 80 до 90%. Причем, чем выше концентрация изотопа, тем выше оружейные свойства материала. После извлечения из урана изотопа U235 остается так называемый обедненный уран, основная масса которого, после обогащения, выходит в форме гексафторида урана. Так как прямое назначение урана — производство энергии, обедненный уран, с содержанием U235 меньше 0,7%, практически бесполезен. В то же время в мире накоплено огромное количество обедненного урана, масса которого исчисляется сотнями тысяч тонн. Одна из глобальных проблем современности — найти обедненному урану достойное применение, сейчас он идет на замену других металлов высокой плотности. Используют его чаще всего в качестве балласта в приборах и аэрокосмических аппаратах. Применяют обедненный уран и в военных целях, но уже не как боевой заряд для бомб и ракет, а в качестве наконечников для бронебойных снарядов. Известно, что порошкообразный уран может самопроизвольно воспламениться в воздухе при нагреве до 150 °C. Когда бронебойный снаряд с урановым наконечником пронизывает броню танка, большая часть урана превращается в пыль, проникает в кабину боевой машины и загорается, превращая танк в настоящий крематорий на гусеницах. Изотоп U234 в природном уране содержится всего в тысячных долях процента и практического применения не находит, чего не скажешь о U238. Уран-238 не может использоваться как ядерное топливо, так как слишком велика энергия нейтронов, необходимая для его расщепления. Зато атомы U238 могут захватывать нейтроны, превращаясь в U239. Уран-239 весьма нестабилен и превращается в Нептуний-239, первый трансурановый элемент, который так упорно искали в конце XIX века. И уже Нептуний-239, тоже нестабильный элемент, превращается в Плутоний-239, который на данный момент является главным сырьем для атомной энергетики. Сергей Журавлев. |
|
| © 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири» Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru © Создание сайта - студия GolDesign.Ru |