خمسة عشر فلزاً مشعاً، أربعة منها طبيعية وأحد عشر صُنعت يدوياً

الأكتينيدات

من الأكتينيوم إلى اللورنسيوم. كل عنصر منها مشع. لا يوجد في الطبيعة بكميات قابلة للاستخدام سوى الثوريوم واليورانيوم؛ أما البقية فهي إما نواتج اضمحلال عابرة أو عناصر اصطناعية بالكامل. وتوفر هذه العناصر مجتمعةً الطاقة للمركبات الفضائية، وتؤرخ الصخور، وتعالج السرطان، وقسمت القرن العشرين إلى نصفين.

العناصر
15
المجموعة
المستوى الفرعي f، الدورة 7
التكوين
[Rn] 5f¹⁻¹⁴ 6d⁰⁻¹ 7s²
مشعة
15

مُظلَّل في الجدول الدوري

كل عضو

الـ15 من الأكتينيدات

89 Ac أكتينيوم 227 u مشع للغاية، وأكثر إشعاعًا من الراديوم بـ150 مرة — يتوهج الأكتينيوم بلون أزرق شاحب في الظلام. مشعة صلب 90 Th ثوريوم 232.038 u أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات لا يمكن تحويله بسهولة إلى سلاح. مشعة صلب 91 Pa بروتكتينيوم 231.036 u واحد من أندر العناصر الطبيعية وأغلاها — إذ كلف استخراج 125 g ذات مرة نصف مليون دولار. مشعة صلب 92 U يورانيوم 238.029 u أثقل عنصر بدائي، والعنصر الذي شطر القرن العشرين إلى نصفين. مشعة صلب 93 Np نبتونيوم 237 u أول عنصر عابر لليورانيوم، صُنع بقذف اليورانيوم بالنيوترونات عام 1940. مشعة صلب 94 Pu بلوتونيوم 244 u العنصر الذي جعل العصر الذري ممكنًا، ويشغّل المركبات الفضائية التي تتجاوز نطاق الشمس. مشعة صلب 95 Am أمريكيوم 243 u العنصر الموجود بهدوء في ملايين أجهزة كشف الدخان حول العالم. مشعة اصطناعي صلب 96 Cm كوريوم 247 u سُمّي نسبةً إلى عائلة كوري، وهو النظير الذي حلّل تربة المريخ. مشعة اصطناعي صلب 97 Bk بركليوم 247 u يُنتج بكميات نانوغرام، ويُستخدم أساسًا هدفًا لإنشاء عناصر أثقل منه. مشعة اصطناعي صلب 98 Cf كاليفورنيوم 251 u مصدر نيوترونات قوي بما يكفي لاستخدامه في تسجيل آبار النفط وعلاج السرطان. مشعة اصطناعي صلب 99 Es أينشتاينيوم 252 u اكتُشف في الغبار المتساقط من أول اختبار لقنبلة هيدروجينية، في عينات حُملت عبر السحابة جوًا. مشعة اصطناعي صلب 100 Fm فرميوم 257 u أثقل عنصر يمكن صنعه بكميات قابلة للوزن عن طريق القذف بالنيوترونات. مشعة اصطناعي صلب 101 Md مندليفيوم 258 u أول عنصر أُنتج وكُشف عنه ذرةً واحدةً في كل مرة. مشعة اصطناعي صلب 102 No نوبليوم 259 u موضوع نزاع اكتشاف استمر عقدًا بين فرق سويدية وأمريكية وسوفييتية. مشعة اصطناعي صلب 103 Lr لورنسيوم 262 u آخر أكتينيد، وله توزيع إلكتروني خالف النمط المتوقع. مشعة اصطناعي صلب

ما الذي يميزها

ثلاثة أشياء تميز الأكتينيدات

01

كلها مشعة بلا استثناء

بعد البزموت، لا توجد نواة مستقرة حقًا. وتتراوح أعمار النصف من 14 مليار سنة للثوريوم-232 — أي أقدم من الأرض وما يزال موجودًا هنا — إلى أجزاء من الثانية لأثقل العناصر.

02

أكثر تنوعاً من اللانثانيدات

لا تطمر الأكتينيدات المبكرة إلكترونات 5f بالطريقة التي تطمر بها اللانثانيدات إلكترونات 4f، ولذلك تشارك تلك الإلكترونات في تكوين الروابط. اليورانيوم وحده يمتد من حالة الأكسدة +3 إلى +6. بعد الأمريكيوم، تتموضع إلكترونات 5f وتصبح الخواص شبيهة باللانثانيدات، وتستقر عند +3.

03

انشطارية وخصبة

يحافظ اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 على التفاعلات المتسلسلة. أما اليورانيوم-238 والثوريوم-232 فلا يفعلان ذلك، لكنهما يلتقطان النيوترونات ليصبحا نويدات تفعل ذلك. وهذا التمييز هو جوهر الهندسة النووية بأكملها.

الاتجاهات الدورية

كيف تتغير عبر العائلة

ينكمش نصف القطر الأيوني عبر السلسلة، كما يحدث مع اللانثانيدات. وتنهار الاستقرارية مع ازدياد العدد الذري: فكل ما بعد الفرميوم (100) لا يوجد إلا في تجارب المسرّعات، حيث تُصنع وتُكتشف حفنة من الذرات في كل مرة.

في العالم

فيما تُستخدم

يورانيوم

وقود المفاعلات والأسلحة. يتكون اليورانيوم الطبيعي بنسبة 99.3% من U-238؛ أما نسبة 0.7% فقط، وهي U-235، فتحافظ على تفاعل متسلسل، وهذا هو الهدف من التخصيب.

بلوتونيوم

الأسلحة، وكذلك — على هيئة Pu-238 — المولدات الحرارية الكهربائية بالنظائر المشعة التي لا تزال تزود Voyager 1 بالطاقة على بُعد أكثر من 24 مليار km من الأرض.

ثوريوم

أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات يصعب تحويله إلى سلاح بدرجة أكبر بكثير. وقد أضاءت أغطية الغاز الشوارع به لمدة قرن.

أمريكيوم

مصدر التأين في ملايين كواشف الدخان المنزلية — نحو 0.3 ميكروغرام لكل منها.

كاليفورنيوم

مصدر نيوترونات قوي بما يكفي لتسجيل آبار النفط وعلاج السرطان: إذ يصدر ميكروغرام واحد 2.3 مليون نيوترون في الثانية.

الأكتينيوم والكوريوم

يُستخدم Ac-225 في العلاج الموجّه بجسيمات ألفا ضد السرطانات التي يتعذر علاجها بطرق أخرى؛ كما شغّلت مصادر الكوريوم مطيافات الأشعة السينية على مركبات المريخ الجوالة.

التعامل

السلامة

أخطر عائلة في الجدول. جميعها مشعة سُمّياً؛ وعدة عناصر منها معادن ثقيلة سامة كيميائياً أيضاً. باعثات ألفا مثل بلوتونيوم وبولونيوم غير ضارة نسبياً خارج الجسم وشديدة الخطورة داخله، لأن جسيمات ألفا تودع كل طاقتها في مسافة قصيرة جداً. وكل أكتينيد يتجاوز الكميات النزرة الطبيعية من ثوريوم ويورانيوم يتطلب ترخيصاً وتدريعاً واحتواءً.

من المفيد معرفته

  • يعمل Voyager 1 بالحرارة الناتجة عن البلوتونيوم-238 منذ عام 1977، ومن المتوقع أن يواصل الإرسال حتى منتصف عقد 2020.
  • عمل مفاعل نووي طبيعي مئات آلاف السنين في أوكلو بالغابون قبل نحو 1.7 مليار سنة، عندما كان اليورانيوم الطبيعي لا يزال مخصباً بما يكفي للوصول إلى الحالة الحرجة تلقائياً.
  • اكتُشف أينشتاينيوم في مخلفات أول اختبار لقنبلة هيدروجينية، داخل حطام جمعته طائرات حلّقت عبر السحابة.

الأسئلة الشائعة

حول الأكتينيدات

لماذا يكون اليورانيوم-235 قابلاً للانشطار بينما لا يكون اليورانيوم-238 كذلك؟

الاقتران النووي. يحتوي U-235 على عدد فردي من النيوترونات، ولذلك يؤدي إمساس نيوترون واحد إلى تحرير طاقة ترابط كافية لدفع النواة فوراً فوق حاجز الانشطار، حتى عند استخدام نيوترون بطيء. أما U-238 فله عدد زوجي؛ وإضافة نيوترون تحرر طاقة أقل، ولا يستطيع إحداث انشطاره إلا نيوترون سريع يحمل طاقته الحركية الخاصة. ولهذا تهدئ المفاعلات نيوتروناتها، ولهذا يكون التخصيب ضرورياً.

ما الفرق بين القابل للانشطار والخصب؟

يستطيع النويد المشطور الحفاظ على تفاعل متسلسل من تلقاء نفسه — U-235 وPu-239 وU-233. أما النويد الخصِب فلا يستطيع ذلك، لكنه يلتقط نيوتروناً ويتحول إلى مادة تستطيع: يتحول U-238 إلى Pu-239، ويتحول Th-232 إلى U-233. وتوجد مفاعلات التوليد لإجراء هذا التحويل عمداً.

هل يُعد أيّ من الأكتينيدات آمناً عند الاقتراب منه؟

اليورانيوم المنضب والثوريوم باعثان ضعيفان لجسيمات ألفا، ويوقف الجلد الفلز السليم — فقد تعامل الناس مع عباءات غاز الثوريوم لمدة قرن. يكمن الخطر في الاستنشاق أو الابتلاع، حيث تودع جسيمات ألفا كامل طاقتها داخل الأنسجة الحية. وكل ما بعد الأمريسيوم خطير تحت أي ظرف، ولا يوجد إلا داخل منشآت محمية.

تابع

العائلات التسع الأخرى

6 الفلزات القلوية Li Na K Rb Cs Fr 6 الفلزات القلوية الترابية Be Mg Ca Sr Ba Ra 38 الفلزات الانتقالية Sc Ti V Cr Mn Fe Co 12 الفلزات بعد الانتقالية Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 أشباه الفلزات B Si Ge As Sb Te At 7 اللافلزات H C N O P S Se 5 الهالوجينات F Cl Br I Ts 7 الغازات النبيلة He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 اللانثانيدات La Ce Pr Nd Pm Sm Eu