Радиоактивные Элементы, Изменившие Историю
Актиноиды - это пятнадцать металлических элементов с атомными номерами от 89 до 103, все из которых радиоактивны. Эти элементы сформировали современную историю больше, чем любая другая группа в периодической таблице. От роли урана в ядерной энергии и оружии до использования плутония в освоении космоса, актиноиды представляют господство человечества над атомом и глубокую ответственность, которая с этим связана.
Названные в честь актиния, первого элемента серии, актиноиды характеризуются постепенным заполнением 5f электронных орбиталей. В отличие от лантаноидов, многие актиноиды могут использовать свои f-электроны в связывании, что приводит к разнообразным состояниям окисления и сложной химии. Эта электронная гибкость в сочетании с их радиоактивной природой делает актиноиды уникальными среди всех элементов.
Только торий и уран встречаются в природе в значительных количествах, остатки сверхновой, создавшей нашу Солнечную систему. Трансурановые элементы—те, что за ураном—все созданы человеком, синтезированы в ядерных реакторах или ускорителях частиц. Каждое открытие расширяло границы ядерной науки и наше понимание самой материи.
История актиноидов неотделима от атомной эры. Успешное обогащение урана-235 и создание плутония-239 в рамках Манхэттенского проекта продемонстрировали как огромную энергию, заключенную в атомных ядрах, так и способность человечества использовать ее. Сегодня актиноиды питают ядерные реакторы, делают возможными медицинские процедуры и двигают космические корабли к внешним планетам.
Когда нейтрон попадает в U-235, он расщепляется на два меньших атома плюс 2-3 нейтрона, высвобождая 200 МэВ энергии. Эта цепная реакция питает ядерные реакторы и оружие.
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).
Ядра гелия (2 протона, 2 нейтрона). Останавливаются бумагой. Наиболее вредны при попадании внутрь.
Высокоскоростные электроны. Останавливаются алюминием. Умеренная проникающая способность и вред.
Высокоэнергетические фотоны. Требуют свинцовой/бетонной защиты. Высокая проникающая способность.
Незаряженные частицы. Вызывают ядерные реакции. Останавливаются водой или бетоном.
Эйнштейн предупреждает Рузвельта о немецких ядерных исследованиях
Первая контролируемая ядерная цепная реакция под руководством Ферми
Оппенгеймер возглавляет лабораторию по разработке бомбы
Реакторы Хэнфорда производят оружейный плутоний
Первый ядерный взрыв в пустыне Нью-Мексико
| Элемент | Символ | Атомный № | Природный? | Период полураспада | Основное применение | Открытие |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Уран-235 и плутоний-239 питают ядерные реакторы, обеспечивая 10% мировой электроэнергии без выбросов углерода.
РИТЭГи на плутонии-238 питают миссии в дальний космос, такие как Вояджер, Кассини и марсоходы, где солнечные панели не работают.
Актиний-225 поражает раковые клетки альфа-частицами. Калифорний-252 обеспечивает нейтронную терапию опухолей.
Трансурановые элементы исследуют пределы ядерной стабильности и помогают понять образование сверхтяжелых элементов.
Америций в детекторах дыма, калифорний для каротажа нефтяных скважин, торий в высокотемпературной керамике.
Ядерное сдерживание, военно-морской привод и броня из обедненного урана демонстрируют военную важность актиноидов.
Обращение: Актиноиды требуют специализированных объектов с перчаточными боксами, дистанционными манипуляторами и обширной защитой. Альфа-излучатели, такие как плутоний, чрезвычайно опасны при вдыхании или проглатывании.
Хранение: Долгоживущие актиноиды должны храниться в геологических хранилищах в течение тысяч лет. Остекловывание в стеклянных или керамических матрицах предотвращает загрязнение окружающей среды.
Критичность Безопасности: Делящиеся изотопы, такие как U-235 и Pu-239, требуют тщательного геометрического контроля для предотвращения случайных цепных реакций. Поглотители нейтронов и замедлители управляют критическим риском.
Дезактивация: Хелатирующие агенты, такие как DTPA, могут удалять актиноиды из организма. Поверхностная дезактивация использует кислоты, комплексообразующие агенты и механическое удаление.
Управление отходами: Высокоактивные отходы содержат актиноиды, требующие изоляции более 10 000 лет. Исследования трансмутации направлены на преобразование долгоживущих актиноидов в короткоживущие или стабильные изотопы.
Торий-232 превращается в делящийся U-233 в реакторах на расплавленных солях, обеспечивая внутреннюю безопасность, минимальные отходы и устойчивость к распространению.
Актиний-225 и висмут-213 доставляют смертельные альфа-частицы непосредственно к раковым клеткам, сохраняя здоровые ткани.
Ядерные тепловые и электрические ракеты, использующие уран или плутоний, могут позволить миссии на Марс за 3-4 месяца вместо 9.
Актиноидные мишени, бомбардируемые тяжелыми ионами, создают новые элементы, исследуя остров стабильности за пределами элемента 118.
Чернобыль и Фукусима выпустили актиноиды в окружающую среду. Цезий-137 и стронций-90 представляют непосредственные риски, в то время как загрязнение плутонием сохраняется тысячелетиями. Затраты на очистку превышают сотни миллиардов.
Атмосферные ядерные испытания (1945-1963) рассеяли плутоний по всему миру. Каждый человек содержит следы плутония от радиоактивных осадков. Испытательные полигоны остаются загрязненными, требуя веков мониторинга.
Актиноиды представляют величайшее научное достижение человечества и самую серьезную ответственность. Эти пятнадцать радиоактивных элементов фундаментально изменили человеческую цивилизацию—от окончания Второй мировой войны до привода подводных лодок, от лечения рака до исследования внешних планет. Их открытие потребовало создания элементов, которые не существовали с момента рождения нашей Солнечной системы. Сегодня актиноиды обеспечивают безуглеродную ядерную энергию, позволяют исследовать космос за пределами досягаемости солнца и предлагают новую надежду в лечении рака. Тем не менее, они также воплощают двойственную природу научного прогресса: тот же уран, который освещает города, может их уничтожить, а энергия плутония, которая движет нас к звездам, требует тысячелетнего управления.
Исследуйте отдельные актиноиды подробно или откройте другие группы элементов