Курсовая: Химия актиноидов (актинидов) - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Химия актиноидов (актинидов)

Банк рефератов / Химия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 61 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

21 Содержание : 1. Положение ак тинидов в периодической таблице 2 2. Атинидная ко нцепция 2 3. Электронные конфигурации актинидов 2 4. С тепени окисления 3 5. Типы ионов 3 6. Источники 4 7. П олучение 4 8. Общие характ еристики , методы и история получения , химическ ие свойства : 1) Уран 5 2) Плутоний 13 9. Практическо е использование актинидных элементов 19 10. Список использованной литерат уры 21 1.ПОЛОЖЕНИЕ АКТИНИДОВ В ПЕР ИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЕ. До 1944 года элементы торий , протактиний и уран располагались в периодичес кой таблице непос редственно под элементам и гафнием , танталом и волфрамом . Стало оче видным , что расположение трансурановых элементов в периодической таблице нуждается в ради кальном перераспределении . Аргументы для располож ения их как новой “актинидной” переходной серии , по д обной РЗЭ , были обоснов аны в 1944 году , но экспериментальные данные , подтверждающие такой взгляд , были еще скудным и . По прошествии времени доказательства преим ущества нового положения серии стали весьма основательными. 2 . АКТИНИДНАЯ КОНЦЕПЦИЯ . Актинидная концепция получи ла сейчас почти всеобщее признание с точк и зрения положения трансурановых элементов в периодической системе . Поэтому здесь будет уместен краткий обзор ее основных принципо в. Актинидная концепция рассматривает элементы с 89 по 103 как перехо дную серию , первым членом которой является актиний (номер 89).Э лементы с номерами 89-103 являются , таким образом , аналогами серии лантаноидов. В отличие от лантаноидной серии , где четырнадцать 4 f -электронов добавляются один за др угим начиная с церия (номер 58).В актини дной серии добавление четырнадцати 5 f -электронов пр оисходит последовательно формально начиная с тория (номер 90) и оканчивается на лоуренсии (номер 103). Формально означает то что не существуе т доказательств, подтверждающих наличие у металличес ког о84Ђ тория или его соединений 5 f -электронов. Однако протак тиний содержит два 5 f -электрона, предполагаемых для третьего член а актинидной серии. Последующие элементы содержат соответствующий им набор 5 f -электронов. Элементы с наполовину заполненным и84y f -оболоч кам и представляют интерес из-за повышенно й84z устойчивости э тих конфигурац и й, и вследствие этого наблюдается их сход ство с аналогами лантаноидами . Принципиальные различия между двумя переходными сериями поя вляются из-за более низких энергий связи и меньшего э ффекта экранирования внешними электронами 5 f -электронов по сравнению с 4 f -электронами . Как сходства , так и различия между актинид ами и лантаноидами имеют огромное значение для изучения актинидных элементов. 3.ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ АКТИНИДОВ. Ac Th Pa U Np 6d7s 2 6d 2 7s 2 5f 2 6d7s 2 5f 3 6d7s 2 5f 4 6d7s 2 Pu Am Cm Bk Cf 5f 6 7s 2 5f 7 7s 2 5f 7 6d7s 2 5f 9 7s 2 5f 10 7s 2 Es Fm Md No Lr 5f 11 7s 2 5f 12 7s 2 (5f 13 7s 2 ) (5f 14 7s 2 ) (5f 14 6d7s 2 ) или ( 5f 14 7s 2 7p) 4.СТЕПЕ НИ ОКИСЛЕНИЯ АКТИ НИДОВ. Атомный номер 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Элемент Ас Т h Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Степень Окисле - ния 3 (3) 4 (3) 4 5 3 4 5 6 3 4 5 6 7 3 4 5 6 (7) (2) 3 4 5 6 7? 3 4 5? 6? 3 4 (2) 3 (4) 5? (2) 3 4? 2 3 1 ? 2 3 2 3 3 В скобках указаны неустойчивые сте пени окисления ; степени окисления , существование которых достоверно не установлено , отмечены знаком вопроса . За исключением тория и протактини я , все актинидные элементы существуют в вод ных растворах в трехвалентном состоянии , хотя оно не является предпочтительным или наи более устойчивым окислительным состоянием в о бычных условиях для элементов до америция . Устойчивое четырёхвалентное состояние на блюдается у элементов от тория до плутони я и у берклия . Пятивалентное состояние над ежно установлено для элементов от протактиния до америция , а шестивалентное от урана до америция . Четырехвалентное состояние кюрия ограничено несколькими твердыми соедине н иями , практически CmO 2 и CmF 4 ,и представлено в устойчивых компл ексных ионах . Четырёхвалентное состояние калифорн ия ограничено твердыми соединениями CfO 2 , CfF 4 . Двухвалентное состояние во второй половине ря да появляется у калифорния и становится в се более устойчивым по мере продвижения к нобелию. Двухвалентные менделевий и нобелий наблюд ались в водных растворах, а для нобелия это оказал ось наиболее устойчивым состоянием. Двухвалентный ам ериций встречался только в твердых соединения х. Образовани е четырехвал ентного берклия, возможно , связано с по вышенной устойчивостью наполовину заполненной 5 f - оболочки ( 5 f 7 ) ,а двухвалентное состояние нобелия отражает устойчивость полн остью укомплектованной 5 f -оболочки (5 f 14 ) .Необходимы больш ие усилия , чтобы все элементы от плут ония до нобелия были получены в двухвален тном состоянии , и для того , чтобы утвержда ть , что двухвалентное состояние является усто йчивым для элементов от фермия до нобелия . Однако подтверждений этому не имеется . М енделевий зарегистрирован в одновале н т ном состоянии , но доказательства существования моновалентных ионов актинидов сомнительны. 5.ТИПЫ ИОНОВ. Ионы актинидов в различных степенях ок исления имеют по существу различные структуры . В водных растворах при pH < 3 существуют четыре типа катионов актинидов . Ионы в ида М 3+ ил и М 4+ ,анал огично катионам с высоким зарядом , проявляют большую склонность к сольватации , гидролизу и полимеризации . Для актинидных элементов в высших степенях окисления эффективный за ряд простого иона уменьшается за счет обр азов ания оксигенированных форм общего вид а МО 2 + и МО 2 2+ .Актинильные ионы МО 2 + и МО 2 2+ в высшей с тепени устойчивы и в таком виде принимают участие в огромном количестве реакций. 6.ИСТОЧНИКИ. Нахождение в природе. Э лементы от актиния до плутония встречаются в природе . Нептуний ( 237 Np , 239 Np ) и плутоний ( 239 Pu ) присутствуют в природе в незнач ительных количествах как результат нейтронных реакций в урановых рудах . Долгоживущий 244 Pu обнаружен в редкоземельном минерале бастнезите в кол ичестве 1 часть на 10 18 и , первичного происхождения . Толь ко элементы торий , протактиний и уран прис утствуют в природных объектах в количествах , позволяющих их извлечен ие . Более важн о , что содержание тория и урана в неко торых минеральных образованиях настолько высоко , что позволяет добывать их путем обычных горных разработок . Наиболее богатые месторож дения урана обнаружены в Северном Саскачеване в Канаде . Ведущими произ в одителями урановой руды , для которых имеются статис тические данные , являются Канада , Южная Африка , Австралия и Намибия . Выделение тория и урана из этих руд практиковалось за мн ого лет до открытия трансурановых элементов , и существуют технологии для их выд е ления из различных руд. Нейтронное облучение. Актиний и протактиний являются продукта ми распада естественного изотопа 235 U и присутст вуют в урановых минералах в таких низких концентрациях , что их выделение из природ ных образцов является весьма сложной и неблагодарной задачей . Для сравнения , имеется относительно простой метод получения актиния , протактиния и большинства отсутствующих в природе трансурановых элементов путём нейтронн ого облучения в ядерном реакторе элементов с меньшим атомным номером . Так, актиний может быть получен в мультиграмовых коли чествах путём взаимодействия радия с нейтрона ми , получающимися в высокопоточном ядерном ре акторе : 226 Ra + n = 227 Ra + 227 Ra = 227 Ac + Образовавши йся актиний может быть отделен от материн ского радия экстракционным или ионообменным м етодом , и граммовые количества актиния были получены таким способом . Это совсем не легкая задача , принимая во внимание образован ие в ысокорадиоактивны х84‡ веществ . Но предпочтительнее , чем выделение из природных источников . 7.ПОЛУЧЕНИЕ. Актинидные металлы высокоэлек троположительны и реагируют с водяным паром , кислородом и , в мелкодисперсном состоянии , с азотом воздуха . Из-за -активности актинидов для работы с ними необходимы прозрачные бокс ы с принудительной вентиляцией . Для некоторых тяжелых актинидов необходимы экраны , поглоща ющие нейтроны , образующиеся при спонтанном де лении . Актинидные элементы образуют очень устойчивые оксиды и фториды , и необходимы сильные восстановители и высокая температура для восстановления их до металлов . Ранние получения актинидных металлов включали восстан овление безводных три - или тетрафторидов мета ллическим литием или барием при выс окой температуре . Напротив , оксиды актинидов в осстанавливаются при высоких температурах металл ическим лантаном или торием . Металлические ак тиниды могут быть получены из реакционной смеси достаточно чистым путём возгонки мет алла . Восстановлени е84u окси дов является предпочтительны м способом для получения от милиграмовых до граммовых количеств Ac , Am , Cm , Bk , Cf и Es .Металлический уран , торий и плутоний получаются при обычных технологических операциях. Многие современные исследования металлическ ого состо яния требуют очень чистых мет аллов . В зависимости от природы примесей м еталлические актиниды могут быть очищены отго нкой примесей в очень высоком вакууме , отг онкой самого металла с образованием пленки очень чистого металла , или путем электрооса ждения из р а сплавов солей . Очень чистые металлы могут быть получены с п омощью процесса Ван Аркеля , который состоит из превращения неочищенного металла в лету чий йодид за счет реакции с элементарным йодом при повышенной температуре с после дующим разложением газообразн о го йодид а на раскалённой нити . При этом образуется чрезвычайно чистый металл , который используе тся для таких целей , как измерение сверхпр оводимости , которое требует металл высочайшей чистоты. 8 .ОБЩИЕ Х АРАКТЕРИСТИКИ , МЕТОДЫ И ИСТОРИЯ ПОЛУЧЕНИЯ , ХИМ ИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УРАНА И ПЛУТОНИЯ : 1) Уран Трудно сказать , какое имя д ал бы немецкий ученый Мартин Клапрот откр ытому в 1789 году элементу , если бы за нес колько лет до этого не произошло событие , взволновавшее все круги общества : в 1781 год у английский астроном В ильям Гершель , наблюдая с помощью самодельного телескопа зве здное небо , обнаружил светящееся облачко , кото рое он поначалу принял за комету , но в дальнейшем убедился , что видит новую , неи звестную дотоле седьмую планету солнечной сис темы . В честь древнегреч е ского бог а неба Гершель назвал ее Ураном . Находивши йся под впечатлением этого события , Клапрот дал новорожденному элементу имя новой план еты. Спустя примерно полвека , в 1841 году , фран цузский химик Эжен Пелиго сумел впервые п олучить металлический уран . Про мышленный мир остался равнодушным к тяжелому , сравнител ьно мягкому металлу , каким оказался уран . Его механические и химические свойства не привлекли ни металлургов , ни машиностроителей . Лишь стеклодувы Богемии да саксонские ма стера фарфоровых и фаянсовых д ел охотно применяли окись этого металла , чтобы придать бокалам красивый желто-зеленый цвет или украсить блюда затейливым бархатно-черны м узором. О “художественных способностях” урановых соединений знали еще древние римляне . При раскопках , проведенных близ Неаполя , удалось найти стеклянную мозаичную фреску удивительн ой красоты . Археологи были поражены : за дв а тысячелетия стекла почти не потускнели . Когда образцы стекол подвергли химическому ан ализу , оказалось , что в них присутствует о кись урана , которой моз а ика и была обязана своим долголетием . Но , если о кислы и соли урана занимались “общественно полезным трудом” , то сам металл в чисто м виде почти никого не интересовал. Даже ученые , и те были лишь весьма поверхностно знакомы с этим элементом . Св едения о нем б ыли скудны , а порой совершенно неправильны . Так , считалось , что его атомный вес равен приблизительно 120. Когд а Д . И . Менделеев создавал свою Периодичес кую систему , эта величина путала ему все карты : уран по своим свойствам никак не хотел вписываться в ту клетку таблицы , которая была “забронирована” за элементом с этим атомным весом . И тогда ученый , вопреки мнению многих своих коллег , решил принять новое значение атомного ве са урана — 240 и перенес элемент в коне ц таблицы . Жизнь подтвердила правоту великог о химика : атомный вес урана 238,03. Но гений Д . И . Менделеева проявился не только в этом . Еще в 1872 году , когда большинство ученых считало уран на фоне многих ценных элементов своего рода “бал ластом” , создатель Периодической системы сумел предвидеть его по истине блестящее буду щее : “Между всеми известными химическими элем ентами уран выделяется тем , что обладает н аивысшим атомным весом ... Наивысшая , из известны х , концентрация массы весомого вещества , ... суще ствующая в уране , ... должна влечь за собою выдающ и еся особенности ... Убежденный в том , что исследование урана , начиная с его природных источников , поведет еще ко многим новым открытиям , я смело рекоменду ю тем , кто ищет предметов для новых ис следований , особо тщательно заниматься урановыми соединениями”. П редсказание великого ученого сбылось менее чем через четверть века : в 1896 год у французский физик Анри Беккерель , проводя эксперименты с солями урана , совершил откры тие , которое по праву относится к величайш им научным открытиям , когда-либо сделанным чел ов е ком . Вот как это произошло . Беккерель давно интересовался явлением фосфоресц енции (т . е . свечения ), присущей некоторым ве ществам . Однажды ученый решил воспользоваться для своих опытов одной из солей урана , которую химики называют двойным сульфатом уранила и калия . На обернутую черн ой бумагой фотопластинку он поместил вырезанн ую из металла узорчатую фигуру , покрытую с лоем урановой соли , и выставил ее на я ркий солнечный свет , чтобы фосфоресценция был а как можно более интенсивной . Через четыр е часа Беккерель п роявил пластинку и увидел на ней отчетливый силуэт ме таллической фигуры . Еще и еще раз повторил он свои опыты — результат был тот же . И вот 24 февраля 1896 года на заседании французской Академии наук ученый доложил , ч то у такого фосфоресцирующего вещества, как двойной сульфат уранила и калия , выста вленного на свет , наблюдается невидимое излуч ение , которое проходит через черную непрозрач ную бумагу и восстанавливает соли серебра на фотопластинке. Спустя два дня Беккерель решил продол жить эксперименты , но как на грех по года была пасмурной , а без солнца какая же фосфоресценция ? Досадуя на непогоду , учен ый спрятал уже приготовленные , но так и не подвергшиеся освещению диапозитивы вместе с образцами солей урана в ящик своего стола , где они пролежали несколько дне й . Наконец , в ночь на 1 марта в етер очистил парижское небо от туч и солнечные лучи с утра засверкали над горо дом . Беккерель , с нетерпением ожидавший этого , поспешил в свою лабораторию и извлек из ящика стола диапозитивы , чтобы выставить их на солнце . Но , б у дучи о чень педантичным экспериментатором , он в посл едний момент все же решил проявить диапоз итивы , хотя логика , казалось бы , подсказывала , что за прошедшие дни с ним ничего не могло произойти : ведь они лежали в темном ящике , а без света не фосфоресцируе т н и одно вещество . В этот м иг ученый не подозревал , что через несколь ко часов обычным фотографическим пластинкам ц еной в несколько франков , суждено стать бе сценным сокровищем , а день 1 марта 1896 года на всегда войдет в историю мировой науки. То , что Беккерел ь увидел на пр оявленных пластинках , буквально поразило его : черные силуэты образцов резко и четко обо значились на светочувствительном слое . Значит , фосфоресценция здесь ни при чем . Но тогда , что же это за лучи испускает соль урана ? Ученый снова и снова пр о делывает аналогичные опыты с другими соединениями урана , в том числе и с те ми , которые не обладали способностью фосфорес цировать или годами лежали в темном месте , и каждый раз на пластинках появлялось изображение. У Беккереля возникает пока еще не вполне я сная мысль , что уран предст авляет собой “первый пример металла , обнаружи вающего свойство , подобное невидимой фосфоресценц ии”. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ п олучения чистого металлического урана . Беккерель попр осил у Муассана немного урановог о порошка и установил , что излучение чисто го урана значительно интенсивнее , чем его соединений , причем это свойство урана оставал ось неизменным при самых различных условиях опытов , в частности при сильном нагревани и и при о х лаждении до низких температур. С публикацией новых данных Беккерель не спешил : он ждал , когда Муассан сообщит о своих весьма интересных исследованиях . К этому обязывала научная этика . И вот 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан сделал докл ад о работах по получению чистого урана , а Беккерель расс казал о новом свойстве , присущем этому эле менту , которое заключалось в самопроизвольном делении ядер его атомов . Это свойство был о названо радиоактивностью. Открытие Беккереля ознаменовало собой нач а ло новой эры в физике — эры превращения элементов . Отныне атом уже не мог считаться единым и неделимым— перед наук ой открывался путь в глубины этого “кирпи чика” материального мира. Естественно , что теперь уран приковал к себе внимание ученых . Вместе с тем и х интересовал и такой вопрос : только ли урану присуща радиоактивность ? Быть мо жет , в природе существуют и другие элемент ы , обладающие этим свойством ? Ответ на этот вопрос смогли дать выдающиеся физики супруги Пьер Кюри и Мар ия Складовская-Кюри . С помощью п рибора , сконструированного мужем , Мария Кюри исследовала огромное количество металлов , минералов , соле й . Работа велась в неимоверно тяжелых усло виях . Лабораторией служил заброшенный деревянный сарай , который супруги подыскали в одном из парижских дворов . “ Это был барак из досок , с асфальтовым полом и стеклянной крышей , плохо защищавшей от дожд я , без всяких приспособлений , — вспоминала впоследствии М . Кюри . — В нем были только старые деревянные столы , чугунная печь , не дававшая достаточно тепла , и классная д оска , которой так любил пользо ваться Пьер . Там не было вытяжных шкафов для опытов с вредными газами , поэтому приходилось делать эти операции на дворе , когда позволяла погода , или же в помеще нии при открытых окнах” . В дневнике П . Кюри есть запись о том , чт о порой работы проводились при температуре всег о шесть градусов выше нуля. Много проблем возникало и с получение м нужных материалов . Урановая руда , например , была очень дорогой , и купить на свои скромные средства достаточное количество ее супруги Кюри не мо гли . Они решили обратиться к австрийскому правительству с просьбой продать им по невысокой цене отх оды этой руды , из которой в Австрии из влекали уран , используемый в виде солей дл я окрашивания стекла и фарфора . Ученых под держала венская Академия наук , и н е сколько тонн отходов было доставлено в их парижскую лабораторию. Мария Кюри работала с необыкновенным упорством . Изучение разнообразных материалов подт верждало правоту Беккереля , считавшего , что ра диоактивность чистого урана больше любых его соединений . Об этом говорили результаты сотен опытов . Но Мария Кюри подвергала исследованиям все новые и новые вещества . И вдруг ... Неожиданность ! Два урановых минера ла — хальколит и смоляная руда Богемии — гораздо активнее действовали на прибор , чем уран . Вывод напраш и вался сам собой : в них содержится какой-то неизв естный элемент , характеризующийся еще более в ысокой способностью к радиоактивному распаду . В честь Польши— родины М . Кюри— супруги назвали его полонием. Снова за работу , снова титанический тр уд — и еще победа : открыт элемент , в сотни раз превосходящий по радиоактивн ости уран . Этот элемент ученые назвали рад ием , что по-латыни означает “луч”. Открытие радия в какой-то мере отвлекл о научную общественность от урана . В течен ие примерно сорока лет он не очень во лнова л умы ученых , да и инженерная мысль редко баловала его своим вниманием . В одном из томов технической энциклопедии , изданном в 1934 году , утверждалось : “Элементарный уран практического применения не имеет” . Солидное издание не грешило против истины , но спу с тя всего несколько лет жизнь внесла существенные коррективы в п редставления о возможностях урана. В начале 1939 года появились два научных сообщения . Первое , направленное во французску ю Академию наук Фредериком Жолио-Кюри , было озаглавлено “Экспериментальн ое доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов” . Второе сообщение— его авторами были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер — опубликовал анг лийский журнал “Природа” ; оно называлось : “Рас пад урана под действием нейтро н ов : новый вид ядерной реакции” . И там , и там речь шла о новом , доселе неизвест ном явлении , происходящем с ядром самого т яжелого элемента — урана. Еще за несколько лет до этого ура ном всерьез заинтересовались “мальчуганы” — именно так дружелюбно называли гр уппу молодых талантливых физиков , работавших под руководством Энрико Ферми в Римском универ ситете . Увлечением этих ученых была нейтронна я физика , таившая в себе много нового , неизведанного. Было обнаружено , что при облучении ней тронами , как правило , ядра о дного элем ента превращаются в ядра другого , занимающего следующую клетку в Периодической системе . А если облучить нейтронами последний , 92-й элемент— уран ? Тогда должен образоваться элемен т , стоящий уже на 93-м месте— элемент , которы й не смогла создать даже природа ! Идея понравилась “мальчуганам” . Еще бы , разве не заманчиво узнать , что собой пр едставляет искусственный элемент , как он выгл ядит , как ведет себя ? Итак , уран облучен . Но что произошло ? В уране появился не один радиоактивный элемент , как ожидалось , а по меньшей мере , десяток . Налицо была какая-то загадка в поведении урана . Э нрико Ферми направляет сообщение об этом в один из научных журналов . Возможно , счит ает он , образовался 93-й элемент , но точных доказательств этого нет . Но , с другой стороны , есть доказательства , что в облученном уране присутствуют какие-то другие элементы . Но какие ? Попытку дать ответ на этот вопрос предприняла дочь Марии Кюри— Ирен Жолио-Кю ри . Она повторила опыты Ферми и тщательно исследовала химический состав урана после облучени я его нейтронами . Результат был более чем неожиданным : в уране появился элемент лантан , располагающийся примерно в середине таблицы Менделеева , т . е . очень далеко от урана. Когда те же эксперименты проделали не мецкие ученые Отто Ган и Фридрих Штрассма н , он и нашли в уране не только лантан , но и барий . Загадка за загадкой ! Ган и Штрассман сообщили о проведенны х опытах своему другу известному физику Л изе Мейтнер . Теперь уже урановую проблему пытаются решить сразу несколько крупнейших уч еных . И вот , сначала Фре дерик Жолио-Кюр и , а спустя некоторое время Лиза Мейтнер приходят к одному и тому же выводу : при попадании нейтрона ядро урана как бы разваливается на части . Этим и объясняе тся неожиданное появление лантана и бария — элементов с атомным весом , примерно вдв о е меньшим , чем у урана. Американского физика Луиса Альвареса , впо следствии лауреата Нобелевской премии , это из вестие застало в одно январское утро 1939 год а в кресле парикмахера . Он спокойно просма тривал газету , как вдруг ему бросился в глаза скромный заго ловок : “Атом урана разделен на две половины”. Через мгновение к изумлению парикмахера и посетителей , ожидавших очереди , странный клиент выбежал из парикмахерской , наполовину подстриженный , с салфеткой , туго завязанной вокруг шеи и развевающейся на ветру . Н е обращая внимания на удивленных прох ожих , физик мчался в лабораторию Калифорнийск ого университета , где он работал , чтобы со общить о потрясающей новости своим коллегам . Те поначалу были ошарашены весьма оригин альным видом размахивающего газетой Альвареса, но , когда услышали о сенсационном открытии , тотчас же забыли о его необ ычной прическе. Да , это была подлинная сенсация в науке . Но Жолио-Кюри установил и другой ва жнейший факт : распад уранового ядра носит характер взрыва , при котором образующиеся оск олки р азлетаются в стороны с огромной скоростью . Пока удавалось расколоть лишь отдельные ядра , энергия осколков только нагре вала кусок урана . Если же число делений будет велико , то при этом выделится огр омное количество энергии. Но где раздобыть такое количество нейтронов , чтобы одновременно бомбардировать им и большое число ядер урана ? Ведь известные ученым источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше , чем требовал ось . На помощь пришла сама природа . Жолио-К юри обнаружил , что при делении ядра уран а из него вылетает несколько не йтронов . Попав в ядра соседних атомов , они должны привести к новому распаду— начне тся так называемая цепная реакция . А поско льку эти процессы длятся миллионные доли секунды , сразу выделится колоссальная энергия— неизбежен взр ы в . Казалось бы , вс е ясно . Но ведь куски урана уже не раз облучали нейтронами , а они при этом не взрывались , т . е . цепная реакция не возникала . Видимо , нужны еще какие-то усло вия . Какие же ? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри ответить пока не мог. И все же о твет был найден . Нашли его в том же 1939 году молодые сов етские ученые Я . Б . Зельдович и Ю . Б . Харитон . В своих работах они установили , что есть два пути развития цепной ядер ной реакции . Первый— нужно увеличить размеры куска урана , так как при облучении м а ленького куска многие выделившиеся вновь нейтроны могут вылететь из него , не встретив на своем пути ни одного ядра . С ростом массы урана вероятность попадания нейтрона в цель , естественно , возрас тает. Есть и другой путь : обогащение урана изотопом 235. Дело в том , что природный уран имеет два основных изотопа , атомный вес которых равен 238 и 235. В ядре первого из них , на долю которого приходится в 140 раз больше атомов , имеется на три не йтрона больше . “Бедный” нейтронами уран -235 жадн о их поглощает — гораз д о сил ьней , чем его “зажиточный” брат , который д аже не делится на части , а превращается в другой элемент . Это свойство изотопа ученые в дальнейшем использовали для получени я искусственных трансурановых элементов . Для цепной же реакции равнодушие урана -238 к нейтронам оказывается губительным : процесс чахнет , не успев набрать силу . Зато че м больше в уране “жадных” до нейтронов атомов изотопа 235, тем энергичнее пойдет реак ция. Но , чтобы начался процесс , нужен еще и первый нейтрон— та “спичка” , которая долж на вы звать атомный “пожар” . Конечно , д ля этой цели можно воспользоваться обычными нейтронными источниками , которые ученые и ранее применяли в своих исследованиях , — не очень удобно , но можно . А нет ли более подходящей “спички” ? Есть . Ее нашли другие советские у ченые К . А . Петржак и Г . Н . Флер ов . Исследуя в 1939 — 1940 годах поведение урана , они пришли к выводу , что ядра этого элемента способны распадаться самопроизвольно . Это подтвердили результаты опытов , проведенных ими в одной из ленинградских лабораторий . Но, может быть , уран распадался не сам , а , например , под действием космич еских лучей : ведь Земля непрерывно находится под их обстрелом . Значит , опыты нужно повторить глубоко под землей , куда не прон икают эти космические гости . Посоветовавшись с крупнейшим сов е тским ученым-атомник ом И . В . Курчатовым , молодые исследователи решили провести эксперименты на какой-нибудь станции Московского метрополитена . В Наркомате путей сообщения это не встретило препятств ий , и вскоре в кабинет начальника станции метро “Динамо” , н аходившейся на глубине 50 метров , на плечах научных работник ов была доставлена аппаратура , которая весила около трех тонн. Как всегда , мимо проходили голубые пое зда , тысячи пассажиров спускались и поднимали сь по эскалатору , и никто из них не предполагал , ч то где-то совсем рядом ведутся опыты , значение которых трудно пере оценить . И вот , наконец , получены результаты , аналогичные тем , которые наблюдались в Лени нграде . Сомнения не было : ядрам урана прис ущ самопроизвольный распад . Чтобы заметить ег о , нужно было проявить незаурядное экспериментаторское мастерство : за 1 час из каж дых 60 000 000 000 000 атомов урана распадается лишь один . Поистине — капля в море ! К . А . Петржак и Г . Н . Флеров впи сали заключительную страницу в ту часть б иографии урана , которая предше ствовала пр оведению первой в мире цепной реакции . Ее осуществил 2 декабря 1942 года Энрико Ферми. В конце 30-х годов Ферми , как и многие другие крупные ученые , спасаясь от гитлеровской чумы , вынужден был эмигрировать в Америку . Здесь он намеревался продолж ить свои важнейшие эксперименты . Но дл я этого требовалось немало денег . Нужно бы ло убедить американское правительство в том , что опыты Ферми позволят получить мощное атомное оружие , которое можно будет испол ьзовать для борьбы с фашизмом . Эту миссию взял н а себя ученый с миров ым именем Альберт Эйнштейн . Он пишет письм о президенту США Франклину Рузвельту , которое начинается словами : “Сэр ! Последняя работа Э . Ферми и Л . Сцилларда , с которой я ознакомился в рукописи , позволяет надеяться , что элемент уран в бли ж айшем будущем может быть превращен в новый важный источник энергии...” . В письме ученый призывал правительство начать финансирование работ по исследованию урана . Учитывая огром ный авторитет Эйнштейна и серьезность междуна родной обстановки , Рузвельт дал св о е согласие. В конце 1941 года жители Чикаго могли заметить царившее на территории одного из стадионов необычное оживление , которое не имело к спорту ни малейшего отношения . К воротам его то и дело подъезжали ма шины с грузом . Многочисленная охрана не ра зреш ала посторонним даже приближаться к ограде стадиона . Здесь , на теннисных корт ах , расположенных под западной трибуной , Энрик о Ферми готовил свой опаснейший эксперимент — осуществление контролируемой цепной реакц ии деления ядер урана . Работы по сооружени ю п е рвого в мире ядерного реа ктора велись днем и ночью в течение г ода. Наступило утро 2 декабря 1942 года . Всю ноч ь ученые не смыкали глаз , снова и снов а проверяя расчеты . Шутка ли сказать : стад ион находится в самом центре многомиллионного города , и хотя расче ты убеждали в том , что реакция в атомном котле буде т замедленной , т . е . не будет носить вз рывного характера , рисковать жизнью сотен тыс яч людей никто не имел права . День уже давно начался , пора было завтракать , но об этом все забыли — не терпелось как можн о скорее приступить к штур му атома . Однако Ферми не торопится : надо дать уставшим людям отдохнуть , нужна разр ядка , чтобы затем снова все тщательно взве сить и обдумать . Осторожность и еще раз осторожность . И вот , когда все ждали ком анду начать эксперимент , Ф ерми произ нес свою знаменитую фразу , вошедшую в исто рию покорения атома,— всего два слова : “Идемте- ка завтракать !”. Завтрак позади , все вновь на своих местах — опыт начинается . Взгляды ученых прикованы к приборам . Томительны минуты ожи дания . И , наконец , сче тчики нейтронов з ащелкали , как пулеметы . Они словно захлебывали сь от огромного количества нейтронов , не у спевая их считать ! Цепная реакция началась ! Это произошло в 15 часов 25 минут по чикагс кому времени . Атомному огню позволили гореть 28 минут , а затем п о команде Ф ерми цепная реакция была прекращена. Один из участников эксперимента подошел к телефону и заранее условленной шифрова нной фразой сообщил начальству : “Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света !” Это означало , что выдающийся итальянский у ченый Энрико Ферми освободил энергию атомного ядра и доказал , что человек может контролировать и использовать ее по свое й воле. Но воля воле рознь . В те годы , когда происходили описываемые события , цепная реакция рассматривалась прежде всего как эта п на пу ти к созданию атомной бомб ы . Именно в этом направлении и были пр одолжены в Америке работы ученых-атомников. Обстановка в научных кругах , связанных с этими работами , была крайне напряженной . Но и здесь не обходилось без курьезов. Осенью 1943 года решено был о попытать ся вывезти из оккупированной немцами Дании в Америку крупнейшего физика Нильса Бора , чтобы использовать его громадные знания и талант . Темной ночью на рыбацком суденышк е , тайно охраняемом английскими подводными ло дками , ученый под видом рыбака б ы л доставлен в Швецию , откуда его н а самолете должны были переправить в Англ ию , а уж затем в США. Весь багаж Бора состоял из одной бутылки . Эту обычную зеленую бутылку из-под датского пива , в которой он тайком от немцев хранил бесценную тяжелую воду , физик берег как зеницу ока : по мнению многих ученых-атомников , именно тяжелая вода м огла служить замедлителем нейтронов для ядерн ой реакции. Бор очень тяжело перенес утомительный полет и , как только пришел в себя , п ервым делом проверил , цела ли бутылка с тяжелой водой . И тут , к своему вел икому огорчению , ученый обнаружил , что стал жертвой собственной рассеянности : в его рук ах была бутылка с самым настоящим датским пивом , а сосуд с тяжелой водой осталс я дома в холодильнике. Когда на гигантских заводах Ок-Риджа , ра сположенных в штате Теннесси , был по лучен первый небольшой кусочек урана -235, предна значенный для атомной бомбы , его отправили со специальным курьером в скрытый среди каньонов штата Нью-Мексико Лос-Аламос , где с оздавалось это смертоносное оружие . Курьеру, которому предстояло самому вести машину , не сказали , что находится в переда нной ему коробочке , но он не раз слыша л жуткие истории о таинственных “лучах см ерти” , рождаемых в Ок-Ридже . Чем дальше он ехал , тем большее волнение охватывало его . В конце концов, он решил , при первом же подозрительном признаке в пове дении коробочки , спрятанной позади его , бегать от машины что есть мочи. Проезжая по длинному мосту , шофер внез апно услышал сзади громкий выстрел . Словно катапультированный , он выскочил из автомобиля и п обежал так быстро , как еще никогда не бегал в своей жизни . Но вот , пробежав изрядное расстояние , он останови лся в изнеможении , убедился , что цел и невредим , и даже отважился оглянуться . А т ем временем за его машиной уже вырос длинный хвост нетерпеливо сиг н аливших автомобилей . Пришлось возвращаться и продолж ать путь. Но едва он сел за руль , как сн ова раздался громкий выстрел , и инстинкт с амосохранения опять буквально выбросил беднягу из машины и заставил мчаться прочь от злополучной коробочки . Лишь после тог о , как разгневанный полисмен догнал его на мотоцикле и увидел правительственные докумен ты , испуганный шофер узнал , что выстрелы д оносились с соседнего полигона , где в это время испытывали новые артиллерийские снаряд ы. Работы в Лос-Аламосе велись в обстанов ке строжайшей тайны . Все крупные учены е находились здесь под вымышленными именами . Так , Нильс Бор , например , был известен в Лос-Аламосе как Николае Бейкер , Энрико Ферми был Генри Фармером , Юджин Вигнер — Юджином Вагнером. Однажды , когда Ферми и Вигнер выез жали с территории одного секретного з авода , их остановил часовой . Ферми предъявил свое удостоверение на имя Фармера , а Ви гнер не смог найти своих документов . У часового был список тех , кому разрешалось входить на завод и выходить из него . “Ваша фамилия ?”— с просил он . Ра ссеянный профессор сначала по привычке пробор мотал “Вигнер” , но тут же спохватился и поправился : “Вагнер” . Это вызвало подозрение у часового . Вагнер был в списке , а В игнер — нет . Он повернулся к Ферми , ко торого уже хорошо знал в лицо , и спрос и л : “Этого человека зовут Вагнер ?” . “Его зовут Вагнер . Это так же в ерно , как и то , что я Фармер” , — сп рятав улыбку , торжественно заверил часового Ф ерми , и тот пропустил ученых. Примерно в середине 1945 года работы по созданию атомной бомбы , на которые было израсходовано два миллиарда долларов , з авершились , и 6 августа над японским городом Хиросимой возник гигантский огненный гриб , унесший десятки тысяч жизней . Эта дата ста ла черным днем в истории цивилизации . Вели чайшее достижение науки породило величайшую т рагедию человечества. Перед учеными , перед всем миром встал вопрос : что же дальше ? Продолжать соверше нствовать ядерное оружие , создавать еще более ужасные средства уничтожения людей ? Нет ! Отныне колоссальная энергия , заключен ная в ядрах атомов , должна служ ить человеку . Первый шаг на этом пути сдела ли советские ученые под руководством академик а И . В . Курчатова . 27 июня 1954 года московское радио передало сообщение исключительной важнос ти : “В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инже н еров успешно завершены работы по прое ктированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт” . Впервые по проводам ш ел ток , который нес энергию , рожденную в недрах атома урана. “Это историческое соб ытие,— писала в те дни газета “Дейли Уор-кер”,— имеет неи змеримо большее международное значение , чем с брос первой атомной бомбы на Хиросиму...”. Пуск первой атомной электростанции положи л начало развитию новой отрасли техники — ядерной энергетики . Уран стал мирным горючим XX века. Прошло еще пять лет , и со стапелей советских судоверфей сошел первый в мире атомный ледокол “Ленин” . Чтобы заставить работать его двигатели во всю мощь (44 тысяч и лошадиных сил !), нужно “сжечь” всего неск олько десятков граммов урана . Небольшой кусок этого ядерного топлива способен заменит ь тысячи тонн мазута или каменного угля , которые вынуждены в буквальном смысле тащи ть за собой обычные теплоходы , совершающие , например /рейс Лондон— Нью-Йорк . А атомоход “Ленин” с запасом уранового т о пли ва несколько десятков килограммов может в течение трех лет сокрушать льды Арктики , не заходя в порт на “заправку”. В 1974 году “приступил к исполнению своих обязанностей” еще более мощный атомный л едокол— “Арктика”. С каждым годом доля ядерного горючего в мировом балансе энергоресурсов стано вится все ощутимее . В наше время каждая четвёртая лампочка в России светит из-за АЭС . Преимущества этого вида топлива несомн енны . Но не стоит забывать об опасности радиации . Миллионы людей пострадали . Среди н их больше 100 000 погибли из-за ужасной аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году . Да и сейчас территория около ЧАЭС заражена и не пригодна для житья . Пройдёт ещё не менее ста лет , прежде чем человек сможет вернуться и жить там . Но и без аварий не так всё гладко . Вед ь использование уранового топлива с опряжено со многими трудностями , из которых едва ли не важнейшая — уничтожение об разующихся радиоактивных отходов . Спускать их в специальных контейнерах на дно морей и океанов ? Зарывать их глубоко в землю ? Вряд ли такие с п особы позволят полностью решить проблему : ведь в конечном счете смертоносные вещества при этом ост аются на нашей планете . А не попытаться ли отправить их куда-нибудь подальше— на др угие небесные тела ? Именно такую идею выдв инул один из ученых США . Он предл о жил грузить отходы атомных электростанций на “грузовые” космические корабли , следующие по маршруту Земля— Солнце . Разумеется , сегодн я подобные “посылки” дороговато обошлись бы отправителям , но , по мнению некоторых опт имистически настроенных специалистов , у ж е через 10 лет эти транспортные операци и станут вполне оправданными. В наше время уже не обязательно о бладать богатой фантазией , чтобы предсказать великое будущее урана . Уран завтра— это косми ческие ракеты , устремленные в глубь Вселенной , и гигантские подво дные города , обесп еченные энергией на десятки лет , это созда ние искусственных островов и обводнение пусты нь , это проникновение к самым недрам Земли и преобразование климата нашей планеты. Сказочные перспективы открывает перед чел овеком уран — пожалуй , наиб олее удиви тельный металл природы ! 2) Плутоний С элементом № 94 связаны оче нь большие надежды и очень большие опасен ия человечества. ...Вначале были протоны — галактический водород . В результате его сжатия и посл едовавших затем ядерных реакций образовал ись самые невероятные “слитки” нуклонов . Сред и них , этих “слитков” , были , по-видимому , и содержащие по 94 протона . Оценки теоретиков позволяют считать , что около ста нуклонных образований , в состав которых входят 94 про тона и от 107 до 206 нейтронов , наст о лько стабильны , что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94. Но все эти изотопы — гипотетические и реальные — не настолько стабильны , чтобы сохраниться до наших дней с моме нта образования элементов солнечной системы . Период полураспада самого долгож ивущего и зотопа элемента № 94 — 75 миллионов лет . Возр аст Галактики измеряется миллиардами лет . Сле довательно , у “первородного” плутония не было шансов дожить до наших дней . Если он и образовывался при великом синтезе элем ентов Вселенной , то те давние его атомы давно “вымерли” , подобно тому ка к вымерли динозавры и мамонты. В XX веке новой эры , нашей эры , этот элемент был воссоздан . Из ста возможных изотопов плутония синтезированы двадцать пят ь . У пятнадцати из них изучены ядерные свойства . Четыре нашли прак тическое при менение. С того дня , когда первые ядра элем ента № 94 попали к ученым , прошло 34 года . В декабре 1940 года при облучении урана ядрам и тяжелого водорода группа американских радио химиков во главе с Гленном Т . Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа частиц . с периодом полураспада 90 лет . Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году , но несколькими месяцами раньше Э . М . Мак миллан и Ф . Эйбельсон получили первый элем ент , более тяжелый , чем уран , — элемент № 93. Этот элемент назвали непту нием , а 94-й — плутонием . Историк определенн о скажет , что названия эти берут начало в римской мифологии , но в сущности прои схождение этих названий скорее не мифологичес кое , а астрономическое. Астрономическая паралл ель Элемент , занимающий 92-ю клетку менделеевско й таблицы , был открыт Мартином Клапротом в 1789 году и назван ураном в честь самой далекой из известных тогда планет (ее впервые наблюдал знаменитый астроном Уильям Гершель в 1781 году , за восемь лет до о ткры тия Клапрота .) Не Уран оказался последней планетой с олнечной системы . Еще дальше от Солнца про ходит орбита Нептуна , но и Нептун не п оследний , за ним — Плутон , планета , о которой до сих пор почти ничего не из вестно ... Подобное построение наблюдается и на “л евом фланге” менделеевской таблицы : uranium — neptunium — plutonium, однако о плутонии человечеств о знает намного больше , чем о Плутоне . Кстати , Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония , — почти такой же отрезок времени разделял откр ы тия Гершеля и Клапрота. "Древо познания добра и зла " В 1941 году был открыт важнейший изотоп плутония — изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказан ие теоретиков : ядра плутония -239 делились теплов ыми нейтронами . Более того , в пр оцессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов , чем при делении урана -235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах... Прошли годы . Теперь уже ни для ког о не секрет , что , ядерные бомбы , хранящиеся в арсеналах , начи нены плутонием -239 и что их , этих бомб , достаточно , чтобы , как говорят , “нанести непоправимый ущерб” всему живому на Земле . Распространено мнение , что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы ) че ловеч ество явно поторопилось . Можно думат ь по-другому или делать вид , что думаешь по-другому , — приятнее быть оптимистом . Но и перед : оптимистами неизбежно встает воп рос об ответственности ученых . Мы помним т риумфальный июньский день 1954 года , день , когда дал а ток первая атомная электрост анция в Обнинске . Но мы не можем забыт ь и августовское утро 1945 года — “утро Хиросимы” , “черный день Альберта Эйнштейна” ... Т е , кому сегодня семьдесят и больше , помнят первые послевоенные годы и безудержный а томный шантаж — о с нову американс кой политики тех лет . А разве мало тре вог пережило человечество в последующие годы ? Причем эти тревоги многократно усиливалис ь сознанием , что , если вспыхнет новая миро вая война , ядерное оружие непременно будет пущено в ход. Здесь можно попроб овать доказать , что открытие плутония не прибавило человечест ву опасений , что , напротив , оно было только полезно. Допустим , случилось так , что по какой-т о причине или , как сказали бы в старин у , по воле божьей , плутоний оказался недос тупен ученым . Разве уме ньшились бы тог да наши страхи и опасения ? Ничуть не б ывало . Ядерные бомбы делали бы из урана -235 (и в не меньшем количестве , чем из плутония ), и эти бомбы “съедали” бы еще большие , чем сейчас , части бюджетов. ато без плутония не сущест вовало бы перспектив ы мирного использован ия ядерной энергии в больших масштабах . Дл я “мирного атома” просто не хватило бы урана -235. Зло , нанесенное человечеству открытием ядерной энергии , не уравновешивалось бы , пусть даже частично , достижениями “доброго ат ома”. Энергия кам ней Оценим энергетические ресурсы , заключенные в природных запасах урана. Уран — рассеянный элемент , и практиче ски он есть всюду . Каждому , кто побывал , к примеру , в Карелии , наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы . Но мало кто знает , что в тонне гра нита в среднем содержится от 4 до 10 граммов урана . Граниты составляют почти 20% веса зем ной коры . Если считать только уран -235, то в тонне гранита заключено 6 · 10 6 килокалорий энергии . Это очень много , но... На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии — порядка 10 6 -10 7 килокалорий . Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только уран -235, а и уран -238, тогда гранит можно было бы рассматриват ь хотя бы как потенциальное энергетичес кое сырье . Тогда энергия , полученная из то нны камня , составила бы уже от 8 · 10 7 до 2 · 10 8 килокалорий . Это равноценно 16 — 40 тоннам угля . И в этом с лучае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии , чем все запасы химического то плива на Земле. Но ядра урана -238 нейтронами не делятся . Для атомной энергетики этот изотоп беспо лезен . Точнее , был бы бесполезен , если бы его не удалось превратить в плутоний -239. И что особенно важно : на это ядерное п ревращение практически не нужно трати ть энергию — напротив , в этом процессе энергия производится ! Попробуем разобраться , как это происходит , но вначале несколько слов о природном плутонии. В 400 тысяч раз меньше , чем радия Уже говорилось , что изотопы плутония н е сохранились со времени синтез а элем ентов при образовании нашей планеты . Но эт о не означает , что плутония в Земле не т . Он все время образуется в урановых рудах . Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны , образующиеся при самопроизвольно м (спонтанном ) делении ядер урана -238, нек оторые — очень немногие — атомы этого изотопа превращаются в атомы урана -239. Эти ядра очень нестабильны , они испускают элект роны и тем самым повышают свой заряд . Образуется нептуний — первый трансурановый э лемент . Нептуний -239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны . Всего за 56 часов половина нептуния -239 превращается в плутоний -239, период полураспада которого уж е достаточно велик — 24 тысячи лет. Почему не добывают плутоний из уранов ых руд ? Мала , слишком мала концентрация . “В грамм до быча — в год труды” — это о радии , а плутония в рудах содержится в 400 тысяч раз меньше , чем р адия . Поэтому не только добыть — даже обнаружить “земной” плутоний необыкновенно тру дно . Сделать это удалось только после того , как были изучены физические и хим и ческие свойства плутония , полученног о в атомных реакторах. Когда 2,70 >> 2,23 (напомним , что в математике знак >> означает “много больше” ) Накапливают плутоний в ядерных реакторах (до недавнего времени эти установки назыв али также атомными котлами ). В мо щных потоках нейтронов происходит та же реакц ия , что ив урановых рудах , но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше — в миллиард миллиардов раз . Для реакции превращения балластного ур ана -238 в энергетический плутоний -239 создаютс я оптимальные (в пределах допустимого ) усл овия . Если реактор работает на тепловых ней тронах (напомним , что их скорость — поряд ка двух тысяч метров в секунду , а энер гия — доли электрон-вольта ), то из естеств енной смеси изотопов урана получают количеств о плу тония немногим меньшее , тем колич ество “выгоревшего” урана -235. Немногим , но меньш ее , плюс неизбежные потери плутония при хи мическом выделении его из облученного урана . К тому же цепная ядерная реакция под держивается в природной смеси изотопов урана тольк о до тех пор , пока не израсходована незначительная доля урана -235. От сюда закономерен вывод : “тепловой” реактор на естественном уране — основной тип ныне действующих реакторов — не может обеспе чить расширенного воспроизводства ядерного горюч его . Но что же т огда перспективн о ? Для ответа на этот вопрос сравним х од цепной ядерной реакции в уране -235 и плутоний -239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие. Важнейшая характеристика любого ядерн ого горючего — среднее число нейтронов , и спускаемых пос ле того , как ядро захват ило один нейтрон . Физики называют его эта -числом обозначают греческой буквой - . В “тепловых” реакторах на уране наблюдается такая законом ерность : каждый нейтрон “порождает” в среднем 2,08 нейтрона ( =2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает =2,03. Но ведь есть еще реакторы , работающие на быстрых нейтронах . Естественную смесь изотопов урана в такой реак тор загружать бесполезно : цепная реакция не пойдет . Но если обога тить “сырье” ураном -235, она сможет развиться и , в “быстром” реакторе . При этом будет равно у же 2,23. А плутоний , помещенный под обстрел бы стрыми нейтронами , даст равное 2,70. В наше распоряж ение поступит “лишних полнейтрона” . И это совсем не мало. Проследим , на что тратятся получе нные нейтроны . В любом реакторе один нейтр он нужен для поддержания цепной ядерной р еакции . 0,1 нейтр она поглощается конструктивными материалами установки . “Избыток” идет на накопление плутония -239. В одном случае “избыток ” равен 1,13, в другом — 1,60. После “сгорания” килограмма плутония в “быстром” реакторе в ыделяется энергия в 2,25 · 10 7 и накапливаетс я 1,6 кг плутония . А уран и в “быстром” реакторе даст ту же энергию и 1,1 кг нового яде рного горючего . И в том , и в другом случае налицо расширенное воспроизводство . Но нельзя забывать об экономике . В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плут ония занимает нескольк о лет . Допустим , что пять лет . Значит , в год количество плутония увеличится только на 2%, если = 2,23, и на 12%, если = 2,7! Ядерное горючее — капи тал , а всякий капитал д олжен давать , скажем , 5% годовых . В первом случае налицо большие убытки , а во втором — большая прибыль . Этот примитивный пример иллюстрируе т “вес” каждой десятой числа в проблеме яде рной энергетики. Важно и другое . Ядерная э нергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии . Расчеты показывают : это условие выполнимо в будущем только тогда , когда приближает ся к трем . Если же развитие ядерных эн ергетических источников будет отставать от п отребностей общества в энергии , то ост анется два пути : либо “затормозить прогресс” , либо брать энергию из каких-то других источников . Извлечение Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плуто ния , его необходимо отделить не только от самого урана , но и от осколков д еления — как урана , так и плутония , вы горевших в цепной ядерной реакции . Кроме т ого , в урано -плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния . Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельны х элементов (лантаноидов ). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло . С точки зрения химика , главный элемент ядерной энергетики — всего лишь один из четырнадцати актинидов . Подобно ред коземельным элементам , все элементы актиниевого ряда о ч ень близки между собой по химическим свойствам , строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково . Еще неприя тнее , что химические свойства актинидов подоб ны свойствам редкоземельных элементов , а сред и осколков деле н ия урана и пл утония лантаноидов хоть отбавляй . Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валент ных состояниях , и это “подслащивает пилюлю” — помогает отделить плутоний и от уран а , и от осколков деления. Валентность плутония меняется от трех до семи . Хим ически наиболее стабильны (а следовательно , наиболее распространены и наиболее изучены ) соединения четырехвалентного пл утония. Разделение близких по химическим свойства м актинидов — урана , нептуния и плутония — может быть основано на разнице в свойствах их четырех - и шестивалентных соединений . Сначала урановые бруски растворя ют в азотной кислоте . Азотная кислота — сильный окислитель при растворении и ура н , и плутоний , и примеси окисляются . Нульва лентные атомы плутония превращаются в ионы Р u 6+ . Плутоний раст воряется вместе с ураном . Из этого раствора его восстанавливают до трехвал ентного состояния сернистым газом , а затем осаждают фторидом лантана . Осадок кроме плу тония содержит нептуний редкоземельные элементы . Но основная масса вещества уран — о стается в р а створе и отделяется от плутония. Полученный осадок растворяют вновь и окисляют нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия . На плутоний этот реактив не действует , и при вторичном осаждении тем же Lа F 3 трехвалентный плутоний переходит в оса док , а нептуний остается в растворе. Чтобы отделить осколки дарения , плутоний снова окисляют до шестивалентного состояния и вновь добавляют фторид лантана . Теперь редкоземельные элементы переходят в осадок , а плутоний остается в растворе... Из множества известны х ныне метод ов выделения плутония следует упомянуть об экстракции плутония органическими растворителями и выделении плутония на ионообменных кол онках . Эти методы представляются химикам , рабо тающим с плутонием , наиболее перспективными. Металл Теперь , након ец , о металле . Выделит ь соединения плутония из раствора — зада ча несложная . Известны десятки способов , позво ляющих это сделать . Затем полученные соединен ия плутония превращают в химически чистый тетрафторид PuF 4 , который при 1200° С восстанавливают парами бария . Так получают чистый плутоний . Н о это еще не конструкционный материал : теп ловыделяющие элементы энергетических ядерных реа кторов (или даже детали атомной бомбы ) из него не сделать . Почему ? Нужна как мин имум , “болванка” — отливка . При изготовлении пл у тониевых изделий пользуются п реимущественно методом литья . Температура плавлен ия металлического плутония — 640° С — вполне достижима , но... Перелив расплавленный плутоний из тигля в нужную форму , начинают его охлаждать до комнатной температуры , — в процесс е затвердевания в отливке непременно появятся трещины . Может быть , охлаждение идет слишком быстро ? Как ни меняли режимы , отливка неизменно разрушалась . Значит , загвоздка не в температурном режиме . Что же тогда происходит ? В жидком металле атомы движутся б еспорядочно . С понижением температуры , ког да металл начинает затвердевать , атомы уже колеблются около центров , расположенных в с трого определенном порядке , например в вершин ах кубов , тетраэдров и т . д ., в зависимо сти от кристаллического строения того или и ного металла. В кристаллах атомы упакованы , как прав ило , плотнее , чем в жидкостях . Большинство веществ , исключая лед , типографский сплав гарт и немногие другие , затвердевая , уменьшаются в объеме — плотность их увеличивается. Плутоний начинает затвердевать при температуре 640° С , при этом его атомы о бразуют кристаллическую решетку в виде кубов . По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет . Но вот температу ра достигла 480° С , и тут неожиданно пло тность плутония резко падает . До причин э т ой аномалии докопались довольно быстро : при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке . Она становится тетрагональной и очень “рыхлой” . Такой плутоний может плавать в собственн ом расплаве , как лед на воде. Температура продолж ает падать , вот она достигла 451° С , и атомы снова обр азовали кубическую решетку , но расположились на большем , чем в первом случае , расстояни и друг от друга . При дальнейшем охлаждение решетка становится сначала орторомбической , затем моноклинной . Всего пл у тоний образует шесть различных кристаллических форм . Две из них отличаются замечательным свойст вом — отрицательным коэффициентом температурног о расширения : с ростом температуры металл не расширяется , а сжимается . Совершенно необыч ное поведение ! Когда темпе ратура достигает 122° С и атомы плутония в шестой раз перест раивают свои ряды , плотность меняется особенн о сильно — от 17,77 до 19,82 г /см 3 . Больше чем на 10%! Соот ветственно уменьшается объем слитка . Если про тив напряжений , возникавших на других переход ах , металл еще мог устоять , то в этот момент разрушение неизбежно. Как же тогда изготовить деталь из этого удивительного металла ? Металлурги легирую т плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов ) и получают отл ивки без единой трещины . Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб . Вес заряда (он определяется прежде всего крит ической массой изотопа ) 5 — 6 килограммов . Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 сантиметров. Тяжелые изотопы В плутонии -239 в незначительном количе стве содержатся и высшие изотопы этого эл емента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Р u практиче ски бесполезен — это балласт в плутонии . Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде , без примеси других и зотопов , плутоний -240 и плут оний -241 можно п олучить при электромагнитном разделении плутония , накопленного в реакторе . Перед этим плут оний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками . Ко нечно , все это очень сложно , тем более что плутоний не т о лько радиоактив ен , но и весьма токсичен . Работа с ним требует исключительной осторожности. Один из самых интересных изотопов плу тония — 242 Р u можно подучить , облучая длительное время 239 Р u в поток ах нейтронов . 242 Р u очень редко захватывает нейтроны и потом у “выгорает” в реакторе медленн ее остальных изотопов ; он сохраняется и по сле того , как остальные изотопы плутония п очти полностью перешли в осколки или прев ратились в плутоний -242. Плутоний -242 важен как “сырье” для сравн ительно быстрого накопления высших трансура новых элементов в ядерных реакторах . Если в обычном реакторе облучать плутонии -239, то на накопление из граммов плутония микрограммо вых количеств , к примеру , калифорния -251 потребуе тся около 20 лет. Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе . Так и делают , но тогда нельзя облучать большое количество п лутония -239. Ведь этот изотоп делится нейтронами , и в интенсивных потоках выделяется слишк ом много энергии . Возникают дополнительные сл ожности с охлаждением контейнера и реактора . Чтобы избежать этих сложностей , пр ишлось бы уменьшить количество облучаемого пл утония . Следовательно , выход калифорния стал б ы снова мизерным . Замкнутый круг ! Плутоний -242 тепловыми нейтронами не делится , его , и в больши х количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках ... Поэтому в реакторах из этого изотопа “делают” и нак апливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния. Не самый тяжелый , но самый долгоживущ ий Всякий раз , когда ученым у давалось получить новый изотоп плутония , измеряли период полураспада его ядер . Периоды полурасп ада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно . (Этого нельзя сказать о нечетных изотопа х .) Посмотрите на график , в кот ором отражена зависимость периода полураспада четны х изотопов плутония от массового числа . С увеличением массы растет и “время жизни” изотопа . Несколько лет назад высшей точко й этого графика был плутоний -242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим р остом массового числа ? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 миллио нов лет , или в точку 2, которая отвечает уже 300 миллионам лет ? Ответ на этот вопро с был очень важен для наук о Земле . В первом случае , если бы пять миллиардо в лет назад Земля ц еликом состо яла из 244 Р u, сейчас во всей массе , Земли остался бы только один атом плутония -244. Если же в ерно второе предположение , то плутоний -244 может быть в Земле в таких концентрациях , к оторые уже можно было бы обнаружить . Если бы посчастливилось найт и в Земле этот изотоп , наука получила бы ценнейшую информацию о процессах” происходивших при формировании нашей планеты. Несколько лет назад перед учеными вст ал вопрос : стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле ? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония -244. Теоретики не мо гли рассчитать эту величину с нужной точн остью . Вся надежда была только на эксперим ент. Плутоний -244 накопили в ядерном реакторе . Облучали элемент № 95 — америций (изотоп 243 А m). Захватив ней трон , этот изотоп переходил в ам ериций -244; америций в одном из десяти тысяч случаев переходил в плутоний -244. Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония -244. Образец весил всего нес колько миллионных-долей грамма . Но их хватило для того , чтобы о пределить период полураспада этого интереснейшего изотопа . Он оказался равным 75 миллионам лет . Плутоний -244 н емного “не дотянул” , чтобы сохраниться в З емле со времен синтеза элементов в концен трациях , которые еще можно обнаружить. Много попыток предприним али ученые , чтобы найти изотоп трансуранового элемента , живущий дольше , чем 244 Р u. Но все попытки остались тщ етными . Одно время возлагали надежды на кю рий -247, но после того , как этот изотоп бы л накоплен в реакторе , выяснилось , что его период полураспада в сего 14 миллионов лет . Побить рекорд плутония -244 не удалось , — это самый долгоживущий из всех изотопо в трансурановых элементов. Еще более тяжелые изотопы плутония по двержены -распаду , и их время жизни лежит в интервале от нес кольких дней до нескольких десятых секунды . Мы знаем наверное , что в термоядерных взрывах образуются вс е изотопы плутония , вплоть до 257 Р u. Но их время жиз ни — десятые доли секунды , и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока н е удалось. Возмож ности первого изотопа И напоследок — о плутонии -238 — са мом первом из “Рукотворных” изотопов плутония , изотопе , который вначале казался бесперспект ивным . В действительности это очень интересны й изотоп . Он подвержен -распаду , т . е . его ядра самопроизвольно испускают -частицы — ядра гелия . -частицы , порожденные ядрами плутония , несу т большую энергию ; рассеявшись в веществе , эта энергия превращается в тепло . Как вел ика эт а энергия ? Шесть миллионов элект рон-вольт освобождается при распаде одного ат омного ядра плутония -238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов . В источнике элек тричества , содержащем один килограмм плутония -2 3 8, развивается тепловая мощность 560 ва тт . Максимальная мощность такого же по вес у химического источника тока — 5 ватт. Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками , но одна ос обенность плутония -238 делает этот изотоп незаме ни мым . Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением , проникающим через больши е толщи вещества . 238 Р u — исключение . Энергия -квантов , сопров ождающих распад его ядер , невелика , защититься от нее несложно : излучение поглощается тонкостенным контейнером . Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа . Поэтому он нашел применение не только в источниках тока , но и в медицине . Батарейки с плутонием -238 служат источником энер гии в специальных стимулятора х серд ечной деятельности . Создан проект искусственного сердца с изотопным источником . На все эти нужды в ближайшие три-четыре года п отребуется несколько тонн “легкого” плутония . Но 238 Р u не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полурас пада самого легкого изотопа — 36 минут. Плутоний — большая тема . Хотелось рас сказать главное из самого главного . Ведь у же стала стандартной фраза , что химия плут ония изучена гораздо лучше чем химия , таких “старых” элементов , как железо . О ядерных свойствах плутония написаны целые кни ги . Металлургия плутония — еще один удиви тельный раздел человеческих знаний ... Поэтому н е нужно думать , что , прочитав этот рассказ , вы по-настоящему узнали плутоний — в а жнейший металл XX века. 9.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИНИДНЫХ ЭЛЕМ ЕНТОВ. Основным применением актинидных элементов является производство ядерной энергии . Хотя это очень важный аспект для любых акти нидных элементов , неожиданно обнаружился ряд других пра ктических применений . Они включ ают использование короткоживущих актинидных изот опов для портативных энергетических батарей с путников , в ионизационных детекторах дыма , леч ении рака , нейтронной радиографии , разведке ми нералов и нефтеразработке , как нейтронн ы е источники в пускателях ядерных реак торов и в множестве аналитических методов , наиболее важными из которых являются нейтр онно-активационный анализ и десорбционная масс-спе ктроскопия тяжелых ионов. Америций -241 нашел применение в диагности ке нарушений щит овидной железы . Миниатюрн ые электрические генераторы , использующие 238 Pu , разработаны для применения в кардиости муляторах . Сам кардиостимулятор – это устрой ство , расположенное в грудной клетке и сое диненное с сердечной мышцей ; периодически испускается зап рограммированный электрический импульс , который обеспечивает ритмичность сердцебиения . Ка рдоистимуляторы на химических батареях имеют ограниченный срок службы и должны периодическ и замениться хирургическим способом . Ядерный иссточник тока увеличивает врем я ме жду перезарядками по крайней мере в 5 раз . Обычный ядерно-энергетический кардиостимулятор с одержит около 160 мг 238 Pu , заключенного в корпус из сплава тантала , иридия и п лотины . В мире широко используются несколько тысяч таких приборов. Калифорний -252 давно привлек внимание как возможный терапевтический реагент для лечения рака . Общее впечатление , складывающееся из первых публикаций на эту тему , таков о , что нейтронная терапия хуже рентгеновской . Однако многие последние работы показывают , что нейтронно е облучение в некот орых случаях более эффективно , чем рентгеновс кое или гамма облучение . За 1976-1982 годы были подвергнуты нейтронному облучению калифорнием -152 несколько сотен людей , больных раком . Нейтрон ное облучение оказывается особенно полезным п ри л е чении опухолей , в которых нарушено снабжение тканей кислородом и кот орые по этому относительно не восприимчивы к рентгеновским и гамма лучами . В несто ящее время использование нейтронов для лечени я рака находится еще в стадии эксперимент а , однако не исключ е на возможность , что при дальнейших клинических исследования х нейтроноизлучающие изотопы калифорния смогут найти хорошее применение в терапии. Список использованной литературы : 1. ”Химия актиноидов” Т 1 (1991), Т 2 (1997), Т 3 (1999). Ред .: Дж.Кац , Г . Сиборг и Л.Морсс . 2. ”Химия актинидных элементов” (1960) Г.Сиборг , Дж . Кац 3.”Закономерности изменения свойств лантано идов и актиноидов” (1990) Г.В.Ионова , В.И . Спицин. 4.Информация полученная из интерн ета.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Жизнь – это искусство рисовать без ластика.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по химии "Химия актиноидов (актинидов)", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru