ما هو ثوريوم؟
ثوريوم (رمزه Th) هو العنصر 90 في الجدول الدوري، وينتمي إلى أكتينيد في الدورة 7. أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات لا يمكن تحويله بسهولة إلى سلاح. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.
Th · العنصر 90 · أكتينيد
أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات لا يمكن تحويله بسهولة إلى سلاح.
البنية
ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.
القيم المقاسة
يوضح كل شريط موضع ثوريوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق المقياس
نصف القطر 180 pm — أي 0.18 nm، ولذلك فإن نحو 2.78 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.
المدى الحراري
يكون ثوريوم سائلًا ضمن مجال 3038 K، من 2023 K إلى 5061 K.
القصة
أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات لا يمكن تحويله بسهولة إلى سلاح.
اكتشف الثوريوم الكيميائي السويدي يونْس ياكوب برزيليوس عام 1828، وكان أحد الآباء المؤسسين للكيمياء الحديثة. وحدد برزيليوس العنصر الجديد أثناء تحليله عينة من معدن أسود أرسلها إليه عالم المعادن النرويجي مورتن ترانه إسمارك، الذي عثر عليه بالقرب من جزيرة لوفويا في النرويج.
اكتشف مورتن ترانه إسمارك العينة الأصلية عام 1828 في جزيرة لوفويا بمنطقة لانغيسوندفيورد في النرويج. ولعجز إسمارك عن تحديد هوية المعدن الأسود غير المألوف، أرسله إلى برزيليوس في ستوكهولم لتحليله. وأدى هذا التعاون بين العمل الميداني النرويجي والكيمياء التحليلية السويدية إلى اكتشاف العنصر.
استخدم برزيليوس تقنياته التحليلية المتقدمة لعزل العنصر الجديد وتوصيفه. واعتقد في البداية أنه اكتشف عنصرين جديدين، سماهما "الثوريوم" و"الثورينا". وكشف التحليل اللاحق أنهما العنصر نفسه في حالتي أكسدة مختلفتين. واختير اسم "الثوريوم" نسبةً إلى ثور، إله الرعد في الميثولوجيا الإسكندنافية.
حدث الاكتشاف خلال العصر الذهبي لاكتشاف العناصر، حين كان الكيميائيون يحللون المعادن الجديدة منهجيًا باستخدام أساليب تحليل محسنة. وأسهم عمل برزيليوس على الثوريوم في تطوير تحديد الأوزان الذرية وساعد على إرساء مبادئ التحليل الكيميائي التي لا تزال مهمة حتى اليوم.
لم تُكتشف الخصائص المشعة للثوريوم حتى عام 1898 على يد غيرهارد كارل شميت وماري كوري بشكل مستقل. وجاء هذا الاكتشاف بعد وقت قصير من اكتشاف بيكريل للنشاط الإشعاعي، وأثبت أن الثوريوم ثاني عنصر مشع معروف بعد اليورانيوم، مما أطلق مجال الكيمياء النووية.
جسّد اكتشاف الثوريوم الكيمياء التعاونية في القرن 19 وأرسى الأساس لفهم عناصر الأكتينيد. وأصبح نهج برزيليوس المنهجي في عزل الثوريوم وتوصيفه نموذجًا لاكتشاف العناصر الثقيلة الأخرى ودراستها.
الاستخدامات
يُعترف بالثوريوم على نحو متزايد بوصفه وقودًا نوويًا من الجيل التالي يتمتع بمزايا كبيرة مقارنةً بالوقود القائم على اليورانيوم. فعند قصف الثوريوم-232 بالنيوترونات، يتحول إلى اليورانيوم-233، وهو مادة انشطارية ممتازة للمفاعلات النووية. وتنتج دورة وقود الثوريوم هذه نفايات مشعة أقل طويلة العمر، ولا يمكن تحويلها بسهولة إلى أسلحة، مما يجعلها خيارًا جذابًا للطاقة النووية السلمية.
يُعد الثوريوم الوقود المفضل لتقنية مفاعل الملح المنصهر (MSR)، حيث يُذاب فلوريد الثوريوم في ملح منصهر يعمل وقودًا ومبرّدًا في الوقت نفسه. ويمكن لهذه المفاعلات العمل عند الضغط الجوي، وتتمتع بميزات سلامة جوهرية، كما يمكنها استهلاك النفايات النووية الموجودة. وتستثمر دول مثل الصين والهند بكثافة في تطوير مفاعلات الملح المنصهر المعتمدة على الثوريوم.
كان الاستخدام الأكثر شيوعًا للثوريوم تاريخيًا في أغطية الفوانيس الغازية، حيث كان ثاني أكسيد الثوريوم يوفر ضوءًا شديدًا وساطعًا عند تسخينه. وعلى الرغم من إيقاف استخدامه إلى حد كبير بسبب المخاوف المتعلقة بالنشاط الإشعاعي، فلا تزال مركبات الثوريوم تُستخدم في تطبيقات متخصصة لدرجات الحرارة المرتفعة، بما في ذلك المواد الحرارية للبوَاتِق وبطانات الأفران التي يجب أن تتحمل حرارة شديدة للغاية.
يُستخدم الثوريوم لإنتاج سبائك المغنيسيوم-الثوريوم المتخصصة لتطبيقات الطيران والفضاء، حيث تُعد النسب المرتفعة بين المتانة والوزن أمرًا حاسمًا. وتحافظ هذه السبائك على خصائصها عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها ذات قيمة لمكونات المحركات النفاثة وتطبيقات الصواريخ. وتؤدي إضافة كميات صغيرة من الثوريوم إلى تحسين مقاومة الزحف في سبائك المغنيسيوم بدرجة كبيرة.
تستخدم المؤسسات البحثية الثوريوم في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك مصادر النيوترونات، ومعايرة معدات كشف الإشعاع، وأبحاث الفيزياء النووية الأساسية. وتعمل مركبات الثوريوم كمعايير مرجعية لقياسات الإشعاع، كما تُستخدم في دراسة كيمياء العناصر الثقيلة وعمليات الاضمحلال النووي.
تستكشف التقنيات النووية المتقدمة إمكانات الثوريوم في الأنظمة المدفوعة بالمُسرّعات (ADS) والمفاعلات المعيارية الصغيرة (SMRs). ويمكن لهذه الأنظمة توفير طاقة نووية نظيفة وآمنة مع تقليل إنتاج النفايات وتعزيز مقاومة الانتشار النووي، مما يجعل الثوريوم عنصرًا أساسيًا في استراتيجيات الطاقة المستدامة المستقبلية.
يتمثل أكثر تطبيقات الثوريوم الحديثة الواعدة في تصميمات المفاعلات النووية المتقدمة. وتعمل برامج بحثية في جميع أنحاء العالم على تطوير مفاعلات الملح المنصهر بالثوريوم، التي يمكن أن توفر طاقة نووية أكثر أمانًا ونظافة. ويستهدف البرنامج النووي الهندي ذو المراحل الثلاث استخدام الثوريوم تحديدًا، نظرًا إلى احتياطيات البلاد الكبيرة منه.
يُستخدم ثاني أكسيد الثوريوم (الثوريا) في تطبيقات حرارية متخصصة تتطلب مقاومة شديدة لدرجات الحرارة. وتبلغ نقطة انصهاره 3,300°C، مما يجعله ذا قيمة للبوَاتِق وبطانات الأفران ومعدات المختبرات ذات درجات الحرارة المرتفعة المستخدمة في أبحاث المواد ومعالجة المعادن.
تُضاف كميات صغيرة من الثوريوم إلى سبائك المغنيسيوم لإنتاج مواد ذات خصائص ممتازة عند درجات الحرارة المرتفعة لتطبيقات الطيران والفضاء. وتحافظ هذه السبائك على المتانة ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة لمحركات الطائرات والمكونات الهيكلية.
تعمل مركبات الثوريوم بوصفها معايير للمعايرة لمعدات كشف الإشعاع ومصادر لتحليل التنشيط النيوتروني. وتستخدم مرافق البحث نظائر الثوريوم لدراسة عمليات الاضمحلال النووي وتطوير تقنيات إشعاعية-كيميائية جديدة.
تجري دراسة استخدام الثوريوم في المفاعلات المعيارية الصغيرة وغيرها من التقنيات النووية المتقدمة التي يمكن أن توفر طاقة نظيفة لامركزية. وتجعل وفرته وخصائصه النووية الملائمة منه بديلًا جذابًا لليورانيوم في أنظمة الطاقة المستقبلية.
مصدره
9.6 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 68% من العناصر
يوجد الثوريوم بوفرة نسبية في القشرة الأرضية، بتركيز متوسط يبلغ 9.6 أجزاء في المليون، مما يجعله أوفر بنحو ثلاث مرات من اليورانيوم. ويوجد أساسًا في الصخور النارية، ويتركز في الرمال المعدنية الثقيلة التي تتكون بفعل عمليات التجوية والتعرية.
أهم معدن حامل للثوريوم هو المونازيت (فوسفات للعناصر الأرضية النادرة يحتوي على 4-12% من ثاني أكسيد الثوريوم)، ويوجد في رمال الشواطئ ورواسب الأنهار. وتشمل المعادن المهمة الأخرى الثوريت (سيليكات الثوريوم)، والثوريانيت (ثاني أكسيد الثوريوم)، والباستنازيت، الذي يحتوي على الثوريوم والعناصر الأرضية النادرة معًا.
تقع رواسب الثوريوم الرئيسية في الهند وأستراليا والبرازيل والولايات المتحدة. وتمتلك الهند أكبر احتياطيات الثوريوم في العالم، وتوجد أساسًا في رمال شواطئ المونازيت على طول سواحلها الشرقية والجنوبية الغربية. وتوجد احتياطيات أستراليا أساسًا في الرمال المعدنية، بينما توجد رواسب البرازيل في رمال الشواطئ الغنية بالمونازيت والتكوينات الصخرية المتجوية.
يُحصل على الثوريوم عادةً بوصفه منتجًا ثانويًا من تعدين العناصر الأرضية النادرة، وليس من تعدين مخصص للثوريوم. وتتضمن عملية الاستخراج ترشيح مركزات المونازيت بالأحماض، ثم استخدام تقنيات الفصل الكيميائي لعزل الثوريوم عن العناصر الأرضية النادرة والمكونات الأخرى.
يوجد الثوريوم طبيعيًا في صخور الغرانيت والتربة والماء بتركيزات منخفضة. كما يوجد في الفحم بمستويات تتراوح بين 1-20 جزءًا في المليون، ويؤدي حرق الفحم إلى إطلاق الثوريوم في الغلاف الجوي. ويتضمن الإشعاع الطبيعي في الخلفية مساهمة صغيرة من الثوريوم ونواتج اضمحلاله.
التعامل
ثوريوم مشع. لا يملك نظيرًا مستقرًا — تتحلل كل نواة. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.
تحذير: الثوريوم مشع طبيعيًا وله عمر نصف يبلغ 14 مليار سنة. وعلى الرغم من أنه أقل نشاطًا إشعاعيًا من العديد من النظائر الاصطناعية، فإنه لا يزال يشكل مخاطر صحية من خلال إشعاع ألفا وإنتاج نواتج الاضمحلال المشعة، بما في ذلك غاز الرادون.
يتمثل الخطر الصحي الرئيسي في استنشاق غبار الثوريوم أو جسيماته، إذ يمكن أن تستقر في أنسجة الرئة وتسبب تعرضًا إشعاعيًا طويل الأمد. ويجب على العاملين في مرافق معالجة الثوريوم أو المختبرات البحثية استخدام وسائل حماية تنفسية مناسبة والعمل في مناطق جيدة التهوية.
ينبغي مناولة مركبات الثوريوم باستخدام بروتوكولات السلامة الإشعاعية القياسية، بما في ذلك معدات الحماية الشخصية، ورصد الإشعاع، والتخزين المناسب في حاويات محمية. ويجب رصد المناطق التي يُستخدم فيها الثوريوم بانتظام للتحقق من مستويات الإشعاع والتلوث.
أدى الاستخدام السابق للثوريوم في الأغطية الغازية والمنتجات الاستهلاكية إلى إيجاد مسارات محتملة للتعرض. وينبغي مناولة الأغطية الغازية القديمة بحذر والتخلص منها بوصفها نفايات مشعة. وقد تحتوي بعض الأدوات الخزفية القديمة وقضبان اللحام على الثوريوم، ولذلك تتطلب مناولة مناسبة.
إجابات سريعة
ثوريوم (رمزه Th) هو العنصر 90 في الجدول الدوري، وينتمي إلى أكتينيد في الدورة 7. أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاث مرات، وهو وقود محتمل للمفاعلات لا يمكن تحويله بسهولة إلى سلاح. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.
[Rn] 6d² 7s²، ويشغل 7 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2.ينصهر ثوريوم عند 2023 K (1749.9 °C) ويغلي عند 5061 K (4787.9 °C). وهذا يضعه بين أكثر العناصر مقاومة للحرارة — إذ يظل صلبًا عند درجات حرارة تُبخّر معظم الفلزات.
تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ ثوريوم 232.038 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.
تبلغ كثافة ثوريوم مقدار 11.72 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من ثوريوم أثقل بنحو 11.7×.
تبلغ كهروسلبية ثوريوم وفق مقياس باولنغ 1.3. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.
اكتُشف ثوريوم في 1828 على يد Jons Jacob Berzelius. سُمّي على اسم ثور، إله الرعد في الأساطير الإسكندنافية.
يشكّل ثوريوم حوالي 9.6 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.
نعم. لا يوجد لـ ثوريوم أي نظير مستقر — إذ تتحلل كل نواته. توجد كميات ضئيلة منه طبيعيًا بوصفها نواتج اضمحلال العناصر الأثقل.