Пятнадцать радиоактивных металлов, четыре из которых встречаются в природе, а одиннадцать созданы искусственно

Актиноиды

От актиния до лоуренсия. Все они радиоактивны. Только торий и уран встречаются в природе в пригодных для использования количествах; остальные — либо мимолётные продукты распада, либо полностью синтетические. Вместе они обеспечивают энергией космические аппараты, позволяют датировать горные породы, лечить рак и разделили XX век надвое.

Элементы: 15
Группа: f-блок, период 7
Конфигурация: [Rn] 5f¹⁻¹⁴ 6d⁰⁻¹ 7s²
Радиоактивные: 15

Выделено в периодической таблице

Каждый элемент

15 элементов семейства Актиноиды

Что их определяет

Три свойства, которые определяют Актиноиды

Все без исключения радиоактивны

За висмутом нет по-настоящему стабильных ядер. Периоды полураспада варьируются от 14 миллиардов лет для тория-232 — он старше Земли и всё ещё существует — до долей секунды у самых тяжёлых элементов.

Более разнообразные, чем лантаноиды

Ранние актиноиды не прячут свои электроны 5f так, как лантаноиды прячут электроны 4f, поэтому эти электроны участвуют в образовании связей. Только урана характерен диапазон степеней окисления от +3 до +6. После америция электроны 5f локализуются, и поведение становится похожим на лантаноидное, стабилизируясь на степени окисления +3.

Делящиеся и воспроизводящие

Уран-235 и плутоний-239 поддерживают цепные реакции. Уран-238 и торий-232 не поддерживают их, но захватывают нейтроны и превращаются в нуклиды, которые это делают. На этом различии основывается вся ядерная инженерия.

Периодические закономерности

Как они изменяются в семействе

Ионный радиус сокращается вдоль ряда, как и у лантаноидов. Стабильность резко падает с увеличением атомного номера: всё, что тяжелее фермія (100), существует только в экспериментах на ускорителях — такие элементы получают и обнаруживают по нескольку атомов за раз.

В мире

Для чего они используются

Уран

Топливо для реакторов и оружия. Природный уран на 99,3% состоит из U-238; только доля 0,7%, приходящаяся на U-235, поддерживает цепную реакцию — для этого и проводят обогащение.

Плутоний

Оружие, а также — в виде Pu-238 — радиоизотопные термоэлектрические генераторы, которые до сих пор снабжают энергией Voyager 1 на расстоянии более 24 миллиардов км от Земли.

Торий

Распространённость в три раза выше, чем у урана; возможное ядерное топливо, которое значительно труднее использовать для создания оружия. Газовые сетки освещали улицы с его помощью в течение столетия.

Америций

Источник ионизации в миллионах бытовых детекторов дыма — около 0,3 микрограмма в каждом.

Калифорний

Источник нейтронов, достаточно мощный для каротажа нефтяных скважин и лечения рака: один микрограмм испускает 2,3 миллиона нейтронов в секунду.

Актиний и кюрий

Ac-225 используют в таргетной альфа-терапии против ранее неизлечимых видов рака; источники кюрия приводили в действие рентгеновские спектрометры на марсоходах.

Обращение

Безопасность

Самое опасное семейство в таблице. Все они радиотоксичны; некоторые также являются химически токсичными тяжёлыми металлами. Альфа-излучатели, такие как плутоний и полоний, относительно безвредны вне организма и чрезвычайно опасны внутри него, поскольку альфа-частицы отдают всю свою энергию на очень коротком расстоянии. Для любого актиноида, кроме следовых количеств природных тория и урана, требуются лицензирование, защита и герметичная изоляция.

Полезно знать

Voyager 1 работает на тепле плутония-238 с 1977 года, и ожидается, что он продолжит передавать сигналы до середины 2020-х годов.
Природный ядерный реактор работал в течение сотен тысяч лет в Окло, Габон, около 1,7 миллиарда лет назад, когда природный уран всё ещё был достаточно обогащён, чтобы самостоятельно достичь критического состояния.
Эйнштейний был обнаружен в радиоактивных выпадениях после первого испытания водородной бомбы — в обломках, собранных самолётами, пролетевшими сквозь облако.

Часто задаваемые вопросы

О семействе Актиноиды

Почему уран-235 делится, а уран-238 — нет?

Ядерное спаривание. В U-235 нечётное число нейтронов, поэтому добавление одного нейтрона высвобождает достаточно энергии связи, чтобы немедленно преодолеть барьер деления ядра, даже если нейтрон медленный. В U-238 число нейтронов чётное; при добавлении нейтрона высвобождается меньше энергии, и вызвать деление может только быстрый нейтрон, несущий собственную кинетическую энергию. Поэтому в реакторах нейтроны замедляют, а обогащение необходимо.

В чём разница между делящимся и воспроизводящим материалом?

Делящийся нуклид самостоятельно поддерживает цепную реакцию — U-235, Pu-239, U-233. Воспроизводящий нуклид не поддерживает её, но захватывает нейтрон и превращается в нуклид, который поддерживает: U-238 превращается в Pu-239, а Th-232 — в U-233. Реакторы-размножители предназначены для целенаправленного осуществления этого превращения.

Безопасно ли находиться рядом с какими-либо актиноидами?

Обеднённый уран и торий — слабые источники альфа-излучения, а цельный металл задерживается кожей — люди целое столетие работали с ториевыми газовыми сетками. Опасность возникает при вдыхании или проглатывании, когда альфа-частицы отдают всю свою энергию внутри живой ткани. Всё, что находится за америцием в периодической таблице, опасно при любых обстоятельствах и существует только внутри защищённых объектов.

Продолжить

Остальные девять семейств

6 Щелочные металлы Li Na K Rb Cs Fr 6 Щёлочноземельные металлы Be Mg Ca Sr Ba Ra 38 Переходные металлы Sc Ti V Cr Mn Fe Co 12 Постпереходные металлы Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 Металлоиды B Si Ge As Sb Te At 7 Неметаллы H C N O P S Se 5 Галогены F Cl Br I Ts 7 Благородные газы He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 Лантаноиды La Ce Pr Nd Pm Sm Eu