العناصر المشعة التي غيرت التاريخ
الأكتينيدات هي خمسة عشر عنصرًا معدنيًا ذات أعداد ذرية من 89 إلى 103، وجميعها مشعة. لقد شكلت هذه العناصر التاريخ الحديث أكثر من أي مجموعة أخرى في الجدول الدوري. من دور اليورانيوم في الطاقة النووية والأسلحة إلى استخدام البلوتونيوم في استكشاف الفضاء، تمثل الأكتينيدات سيطرة البشرية على الذرة - والمسؤوليات العميقة التي تأتي معها.
سميت على اسم الأكتينيوم، العنصر الأول في السلسلة، تتميز الأكتينيدات بالملء التدريجي للمدارات الإلكترونية 5f. على عكس اللانثانيدات، يمكن للعديد من الأكتينيدات استخدام إلكترونات f في الترابط، مما يؤدي إلى حالات أكسدة متنوعة وكيمياء معقدة. هذه المرونة الإلكترونية، جنبًا إلى جنب مع طبيعتها المشعة، تجعل الأكتينيدات فريدة بين جميع العناصر.
يوجد الثوريوم واليورانيوم فقط بشكل طبيعي بكميات كبيرة، وهما من بقايا المستعر الأعظم الذي خلق نظامنا الشمسي. العناصر ما بعد اليورانيوم - تلك التي تتجاوز اليورانيوم - كلها من صنع الإنسان، يتم تصنيعها في المفاعلات النووية أو مسرعات الجسيمات. كل اكتشاف دفع حدود العلوم النووية وفهمنا للمادة نفسها.
تاريخ الأكتينيدات لا ينفصل عن العصر الذري. أظهر نجاح مشروع مانهاتن في تخصيب اليورانيوم-235 وإنشاء البلوتونيوم-239 كلاً من الطاقة الهائلة المحبوسة داخل النوى الذرية وقدرة البشرية على تسخيرها. اليوم، تغذي الأكتينيدات المفاعلات النووية، وتمكن من العلاجات الطبية، وتدفع المركبات الفضائية إلى الكواكب الخارجية.
عندما يصطدم نيوترون بـ U-235، ينقسم إلى ذرتين أصغر بالإضافة إلى 2-3 نيوترونات، مطلقًا 200 MeV من الطاقة. هذا التفاعل المتسلسل يغذي المفاعلات النووية والأسلحة.
Glows blue in the dark. Used in neutron sources and radiation therapy. Half-life: 21.8 years.
Future nuclear fuel. Gas mantles, welding electrodes, camera lenses. Half-life: 14 billion years.
Rarest naturally occurring element. Uranium decay chain intermediate. Half-life: 32,760 years.
Nuclear fuel and weapons. Discovered 1789. U-235 is fissile. Half-life: 4.5 billion years.
First transuranium element (1940). Nuclear weapons, neutron detection. Half-life: 2.14 million years.
Nuclear weapons, space power. Manhattan Project key element. Half-life: 24,110 years (Pu-239).
Smoke detectors, neutron sources. Named for Americas. Half-life: 432 years (Am-241).
Space exploration power. Named after Marie Curie. Half-life: 18.1 years (Cm-244).
Research only. Named after Berkeley, California. Half-life: 330 days (Bk-247).
Neutron source for cancer treatment. Metal detection. Half-life: 351 years (Cf-251).
First detected in nuclear test debris. Research only. Half-life: 20.5 days (Es-252).
Found in hydrogen bomb test. Named after Enrico Fermi. Half-life: 100.5 days (Fm-257).
Honors Mendeleev. First by ion bombardment. Half-life: 51 days (Md-258).
Named for Alfred Nobel. Only +2 oxidation state. Half-life: 58 minutes (No-259).
Last actinide. Honors Ernest Lawrence. Half-life: 11 hours (Lr-262).
نوى الهيليوم (2 بروتونات، 2 نيوترونات). توقفها الورقة. الأكثر ضررًا إذا ابتُلعت.
إلكترونات عالية السرعة. يوقفها الألومنيوم. اختراق وضرر متوسط.
فوتونات عالية الطاقة. تتطلب حماية من الرصاص/الخرسانة. عالية الاختراق.
جسيمات غير مشحونة. تسبب تفاعلات نووية. يوقفها الماء أو الخرسانة.
أينشتاين يحذر روزفلت من الأبحاث النووية الألمانية
أول تفاعل متسلسل نووي مُتحكم به تحت قيادة فيرمي
أوبنهايمر يقود مختبر تصميم القنابل
مفاعلات هانفورد تنتج البلوتونيوم العسكري
أول تفجير نووي في صحراء نيو مكسيكو
| العنصر | الرمز | العدد الذري | طبيعي؟ | نصف العمر | الاستخدام الرئيسي | الاكتشاف |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Actinium | Ac | 89 | Trace | 21.8 yr | Neutron source | 1899 |
| Thorium | Th | 90 | Yes | 14.0 Gyr | Future nuclear fuel | 1828 |
| Protactinium | Pa | 91 | Trace | 32,760 yr | Research | 1913 |
| Uranium | U | 92 | Yes | 4.47 Gyr | Nuclear fuel | 1789 |
| Neptunium | Np | 93 | No | 2.14 Myr | Pu-238 production | 1940 |
| Plutonium | Pu | 94 | Trace | 24,110 yr | Nuclear weapons | 1940 |
| Americium | Am | 95 | No | 432 yr | Smoke detectors | 1944 |
| Curium | Cm | 96 | No | 18.1 yr | Space power | 1944 |
| Berkelium | Bk | 97 | No | 330 days | Research | 1949 |
| Californium | Cf | 98 | No | 351 yr | Neutron source | 1950 |
اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 يغذيان المفاعلات النووية، ويوفران 10% من الكهرباء العالمية بدون انبعاثات كربونية.
مولدات RTG بالبلوتونيوم-238 تغذي بعثات الفضاء العميق مثل فوياجر وكاسيني ومركبات المريخ حيث تفشل الألواح الشمسية.
الأكتينيوم-225 يستهدف الخلايا السرطانية بجسيمات ألفا. الكاليفورنيوم-252 يوفر العلاج النيوتروني للأورام.
العناصر ما بعد اليورانيوم تستكشف حدود الاستقرار النووي وتساعد في فهم تكوين العناصر فائقة الثقل.
الأمريسيوم في كاشفات الدخان، والكاليفورنيوم في تسجيل آبار النفط، والثوريوم في السيراميك عالي الحرارة.
الردع النووي، والدفع البحري، ودروع اليورانيوم المنضب تُظهر الأهمية العسكرية للأكتينيدات.
التعامل: تتطلب الأكتينيدات منشآت متخصصة مع صناديق القفازات والمعالجات عن بعد والحماية الموسعة. إن انبعاث الألفا مثل البلوتونيوم خطر للغاية إذا تم استنشاقه أو ابتلاعه.
التخزين: يجب تخزين الأكتينيدات طويلة العمر في مستودعات جيولوجية لآلاف السنين. التزجج في المصفوفات الزجاجية أو السيراميكية يمنع التلوث البيئي.
أمان الحرجية: تتطلب النظائر الانشطارية مثل U-235 و Pu-239 تحكماً هندسياً دقيقاً لمنع التفاعلات المتسلسلة العارضة. تدير ماصات النيوترونات والمعدلات مخاطر الحرجية.
إزالة التلوث: يمكن لعوامل الاستخلاب مثل DTPA إزالة الأكتينيدات من الجسم. تستخدم إزالة التلوث السطحي الأحماض والعوامل المعقدة والإزالة الميكانيكية.
إدارة النفايات: تحتوي النفايات عالية المستوى على أكتينيدات تتطلب عزلاً لأكثر من 10,000 سنة. تهدف أبحاث التحويل إلى تحويل الأكتينيدات طويلة العمر إلى نظائر قصيرة العمر أو مستقرة.
الثوريوم-232 يتحول إلى U-233 القابل للانشطار في مفاعلات الملح المصهور، مما يوفر السلامة المتأصلة، والحد الأدنى من النفايات، ومقاومة الانتشار.
الأكتينيوم-225 والبزموت-213 يوصلان جسيمات ألفا القاتلة مباشرة إلى الخلايا السرطانية مع الحفاظ على الأنسجة السليمة.
الصواريخ النووية الحرارية والكهربائية باستخدام اليورانيوم أو البلوتونيوم يمكن أن تمكن من بعثات المريخ في 3-4 أشهر بدلاً من 9.
أهداف الأكتينيدات المقصوفة بالأيونات الثقيلة تخلق عناصر جديدة، وتستكشف جزيرة الاستقرار وراء العنصر 118.
أطلق تشيرنوبل وفوكوشيما الأكتينيدات في البيئة. يشكل السيزيوم-137 والسترونتيوم-90 مخاطر فورية، بينما يستمر تلوث البلوتونيوم لآلاف السنين. تتجاوز تكاليف التنظيف مئات المليارات.
التجارب النووية الجوية (1945-1963) نشرت البلوتونيوم عالميًا. يحتوي كل إنسان على آثار من البلوتونيوم من التساقط الإشعاعي. تظل مواقع الاختبار ملوثة، وتتطلب قرونًا من المراقبة.
تمثل الأكتينيدات أعظم إنجاز علمي للبشرية وأخطر مسؤولية. لقد غيرت هذه العناصر المشعة الخمسة عشر الحضارة البشرية بشكل أساسي - من إنهاء الحرب العالمية الثانية إلى دفع الغواصات، من علاج السرطان إلى استكشاف الكواكب الخارجية. تطلب اكتشافها خلق عناصر لم تكن موجودة منذ ولادة نظامنا الشمسي. اليوم، توفر الأكتينيدات طاقة نووية خالية من الكربون، وتمكن من استكشاف الفضاء خارج نطاق الشمس، وتقدم أملاً جديدًا في علاج السرطان. ومع ذلك، فإنها تجسد أيضًا الطبيعة المزدوجة للتقدم العلمي: نفس اليورانيوم الذي ينير المدن يمكن أن يدمرها، وطاقة البلوتونيوم التي تدفعنا إلى النجوم تتطلب إشرافًا لآلاف السنين.
استكشف الأكتينيدات الفردية بالتفصيل أو اكتشف مجموعات عناصر أخرى