Уран, хімічний елемент: історія відкриття і реакція поділу ядра

Відео: Ядерні реакції

У статті розповідається про те, коли було відкрито такий хімічний елемент, як уран, і в яких галузях виробництва в наш час застосовується ця речовина.

Уран - хімічний елемент енергетичної і військової промисловості

У всі часи люди намагалися знайти високоефективні джерела енергії, а в ідеалі - створити так званий вічний двигун. На жаль, неможливість його існування теоретично довели і обгрунтували ще в XIX столітті, але вчені все одно ніколи не втрачали надії втілити в життя мрію про якогось роду пристрої, який був би здатний видавати велику кількість «чистої» енергії протягом дуже довгого часу.

Частково це вдалося втілити в життя з відкриттям такого речовини, як уран. Хімічний елемент з даними назвою ліг в основу розробки атомних реакторів, які в наш час забезпечують енергією цілі міста, підводні човни, полярні суду та інше. Правда, «чистої» їх енергію назвати не можна, але в останні роки безліч фірм розробляють для широкого продажу компактні «атомні батарейки» на основі тритію - в них немає рухомих частин і вони безпечні для здоров`я.

Однак в цій статті ми детально розберемо історію відкриття хімічного елемента під назвою уран і реакцію ділення його ядер.

визначення

Уран - хімічний елемент, який має атомний номер 92 в періодичній таблиці Менделєєва. Атомна ж маса його становить 238,029. Позначається він символом U. У нормальних умовах є щільним, важким металом сріблястого кольору. Якщо говорити про його радіоактивності, то сам по собі уран - елемент, що володіє слабкою радіоактивністю. Також він не має в своєму складі повністю стабільних ізотопів. А найстабільнішим з існуючих ізотопів вважається уран-338.

З тим, що собою являє цей елемент, ми розібралися, а тепер розглянемо історію його відкриття.

Історія

Така речовина, як природна окис урану, відомо людям з глибокої давнини, а використовували її стародавні майстри для виготовлення глазурі, якою покривали різну кераміку для водонепроникності судин і інших виробів, а також їх прикраси.

Важливою датою в історії відкриття цього хімічного елемента став 1789 рік. Саме тоді хімік і німець за походженням Мартін Клапрот зміг отримати перший металлообразний уран. А свою назву новий елемент отримав на честь відкритої вісьмома роками раніше планети.

Майже 50 років отриманий тоді уран вважали чистим металом, однак, в 1840 році хімік з Франції Ежен-Мелькьор Пелиго зміг довести, що матеріал, отриманий Клапротом, незважаючи на відповідні зовнішні ознаки, зовсім не метал, а оксид урану. Трохи пізніше все той же Пелиго отримав справжній уран - дуже важкий метал сірого кольору. Саме тоді вперше і був визначений атомний вага такого речовини, як уран. Хімічний елемент в 1874 році був поміщений Дмитром Менделєєвим в його знамениту періодичну систему елементів, причому Менделєєв подвоїв атомна вага речовини в два рази. І лише через 12 років досвідченим шляхом було доведено, що великий хімік не помилявся в своїх розрахунках.

радіоактивність

Але по-справжньому широка зацікавленість цим елементом в наукових колах почалася в 1896 році, коли Беккерель відкрив той факт, що уран випускає промені, які були названі в честь дослідника - промені Беккереля. Пізніше одна з найвідоміших учених в цій області - Марія Кюрі, назвала це явище радіоактивністю.

Наступною важливою датою в вивченні урану прийнято вважати 1899 рік: саме тоді Резерфорд виявив, що випромінювання урану є неоднорідним і ділиться на два типи - альфа- і бета-промені. А рік потому Поль Віллар (Війяр) відкрив і третій, останній відомий нам на сьогоднішній день тип радіоактивного випромінювання - так звані гамма-промені.

Через сім років, в 1906 році, Резерфорд на основі своєї теорії радіоактивності провів перші досліди, мета яких полягала в тому, щоб визначити вік різних мінералів. Ці дослідження поклали початок в тому числі формування теорії і практики радіовуглецевого аналізу.

Розподіл ядер урану

Але, напевно, найважливіша відкриття, завдяки якому почалася широка видобуток і збагачення урану як в мирних, так і військових цілях, - це процес ділення ядер урану. Сталося це в 1938 році, відкриття було здійснено силами німецьких фізиків Отто Гана і Фріца Штрассмана. Пізніше ця теорія отримала наукові підтвердження в роботах ще кількох німецьких фізиків.

Суть відкритого ними механізму полягала в наступному: якщо опромінювати ядро ізотопу урану-235 нейтронів, то, захоплюючи вільний нейтрон, воно починає ділитися. І, як ми всі тепер знаємо, процес цей супроводжується виділенням колосальної кількості енергії. Відбувається це в основному завдяки кінетичної енергії самого випромінювання і осколків ядра. Так що тепер ми знаємо, як відбувається розподіл ядер урану.

Відкриття цього механізму і його результатів і є відправною точкою для використання урану як в мирних, так і військових цілях.

Якщо говорити про його застосуванні у військових цілях, то вперше теорію про те, що можна створити умови для такого процесу, як безперервна реакція поділу ядра урану (оскільки для підриву ядерної бомби необхідна величезна енергія), довели радянські фізики Зельдович і Харитон. Але щоб створити таку реакцію, уран повинен бути збагачений, оскільки в звичайному своєму стані потрібними властивостями він не володіє.

З історією цього елемента ми ознайомилися, тепер розберемося, де ж він застосовується.

Відео: Розподіл атомних ядер: Історія Лізи Мейтнер і Отто Ганна

Застосування і види ізотопів урану

Після відкриття такого процесу, як реакція ланцюгового розподілу урану, перед фізиками стало питання, де можна його використовувати?

В даний час існує два основних напрямки, де використовують ізотопи урану. Це мирна (або енергетична) промисловість і військова. І перша, і друга використовує реакцію поділу ядер ізотопу урану-235, відрізняється лише вихідна потужність. Простіше кажучи, в атомному реакторі немає необхідності створювати і підтримувати цей процес з тією ж потужністю, яка необхідна для здійснення вибуху ядерної бомби.

Отже, були перераховані основні галузі, в яких використовується реакція поділу урану.

Але отримання ізотопу урану-235 - це надзвичайно складна і витратна технологічна задача, і не кожна держава може дозволити собі побудувати збагачувальні фабрики. Наприклад, для отримання двадцяти тонн уранового палива, в якому вміст ізотопу урану 235 буде складати від 3-5%, буде потрібно збагатити понад 153 тонн природного, «сирого» урану.

Ізотоп урану-238 в основному застосовують в конструктивній схемі ядерної зброї для збільшення його потужності. Також під час захоплення їм нейтрона з подальшим процесом бета-розпаду цей ізотоп може з часом перетворюватися в плутоній-239 - поширене паливо для більшості сучасних атомних реакторів.

Незважаючи на всі недоліки таких реакторів (велика вартість, складність обслуговування, небезпека аварії), їх експлуатація окупається дуже швидко, і енергії вони виробляють незрівнянно більше, ніж класичні теплові або гідроелектростанції.

Також реакція поділу ядра урану дозволила створити ядерну зброю масового ураження. Воно відрізняється величезною силою, відносної компактністю і тим, що здатне робити непридатним для проживання людей великі площі землі. Правда, в сучасному атомну зброю застосовується плутоній, а не уран.

збіднений уран

Існує й такий різновид урану, як збіднений. Він відрізняється дуже низьким рівнем радіоактивності, а значить, не є небезпечним для людей. Застосовується він знову-таки у військовій сфері, наприклад, його додають в броню американського танка «Абрамс» для додання їй додаткової міцності. Крім цього, практично у всіх високотехнологічних арміях можна зустріти різні снаряди зі збідненим ураном. Крім високої маси, мають вони ще одним дуже цікавим властивістю - після руйнування снаряда його осколки і металевий пил самовоспламеняются. І до речі, вперше такий снаряд застосували під час Другої світової війни. Як ми бачимо, уран - елемент, якого знайшли застосування в самих різних областях людської діяльності.

висновок

За прогнозами вчених, приблизно в 2030 році повністю виснажаться всі великі родовища урану, після чого почнеться розробка важкодоступних його верств і буде зростати ціна. До речі, сама уранова руда абсолютно нешкідлива для людей - деякі шахтарі працюють на його видобутку цілими поколіннями. Тепер ми розібралися в історії відкриття цього хімічного елемента і в тому, як застосовують реакцію ділення його ядер.