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          中國核工業地質局

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          鈾礦科普—1鈾元素

          來源:     發布時間:2018年11月13日 17:08     作者:系統管理員    

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          鈾礦科普

            鈾元素

            一、鈾元素的發現

            1789年,德國杰出的化學家、礦物學家M.H.克拉普洛斯(Martin Heinrich Klaproth,1743~1817),在一個極為普通的實驗室里分析研究George Wagsfort礦山(德國)的瀝青鈾礦時,驚奇地發現了一種“新元素”。該“新元素”最初被命名為“Uranit”,是為了紀念F.W.赫歇爾(Friedrich Wilhelm Herschel,1738~1822)1781年發現的行星Uranus(天王星)。1790年最終將這個新發現的元素定名為“Uranium”,即鈾,元素符號用英文字母U表示(Uranium的第一個字母)。它的發現在世界科技史上具有劃時代的意義。

            當時克拉普洛斯發現的鈾只是鈾的氧化物(二氧化鈾)。52年后,法國化學家E.M.佩利戈特(E.M.Peligot)于1841年制得了金屬鈾,成為世界上制得金屬鈾的第一人。

            鈾元素發現后,一些物理學家開始注意研究鈾的熒光現象,其中包括以研究鈾鹽而著名的法國物理學家亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel,1852~1908)。1896年3月,亨利·貝克勒爾在實驗中把未感光的底片用較厚的黑紙包好,再在黑紙包上涂上鈾鹽,然后置于陽光下照射,幾小時后沖洗底片時,發現底片感光了,而且,底片上清楚地顯示出鈾鹽覆蓋的痕跡。后來,多次實驗中他在包有底片的黑紙和鈾鹽之間放置各種物體試樣,再經陽光照射,然后沖洗底片,他發現底片上同樣留下了各種物體的影像。又經過多次實驗,尤其是發現鈾鹽雖未經日光照射,包著黑紙的底片仍然曝光,他通過各種鈾鹽的反復實驗和觀測,發現一種由鈾自然放射的、肉眼看不見、具有穿透性的射線,這種射線能使照相底片感光,還能使空氣成為電的導體。因此,他斷定“鈾是一種能放出射線的元素”。這就是人類認識史上具有劃時代意義的偉大發現—天然放射性的發現,它的發現和研究在科學界引發了一場真正的革命,開創了原子能研究的應用領域,使人類進一步邁向現代文明。隨后居里夫婦也發現了另外兩個能放射相似射線的元素——釙(Po)和鐳(Ra),并確定了這些射線的特點,而將這種現象稱作“放射性”。由于鈾元素天然放射性的發現,亨利·貝克勒爾和居里夫婦于1903年共同榮獲了諾貝爾物理獎。

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          貝克勒爾

          皮埃爾·居里

          居里夫人

            二、鈾的物理、化學性質

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            鈾在元素周期表中的位置 在周期表中,鈾位于第七周期第ⅢB族,是錒系元素之一,與第六周期第ⅢB族鑭系元素相對應。作為錒系元素,其電子層結構具有明顯的特點,即具有O、P和Q層3個未飽和的電子殼層。

            原子性質 鈾的原子序數為92,以12C為基準得出鈾的原子量為238.0289,是自然界至今發現的最重的元素,是重要的天然放射性元素。鈾原子呈橢圓形,短軸半徑為1.4Å,長軸半徑為1.65Å,原子體積為12.59cm3/mol;密度大,常溫下為19.05g/cm3,與黃金的密度(19.32g/cm3)相差不多;它的硬度稍低于銅的硬度,其布氏硬度為240~260kg/mm2;熔點1132.3℃,沸點3818℃,熱導率(25℃)0.060卡/厘米·秒·度,電導率3.8×106S/m,比熱6.594卡/摩爾·度,抗拉強度450MPa,屈服強度207MPa,彈性模數172GPa,在接近絕對零度時具有超導性和延展性(圖1-1)。

            原子結構 鈾原子的中心為原子核,圍繞帶正電荷的原子核有數目與質子數相等的、帶負電荷的電子不斷運動,這些電子的運動均沿著一定的軌道,幾個軌道組合在一起形成一個電子殼層。圍繞鈾原子核的周圍運轉的92個電子呈層狀分布,即,鈾原子有4個完全飽和的電子殼層K(2)、L(8)、M(18)、N(32)和3個未完全飽和的電子殼層O(21)、P(9)、Q(2),價電子層結構為5f36d17s2。

            

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            圖1-1 鈾元素性質

            鈾同位素 鈾原子核由質子和中子構成。其中有92個質子,但所含的中子數是可變的,因而構成鈾的各種同位素(具有相同質子數,不同中子數的同一元素的不同核素互為同位素)。迄今已發現質量數在226和242之間15個鈾同位素,在自然界中存在的只有238U、235U和234U,它們的同位素相對豐度分別為99.275%、0.720%、0.005%,半衰期分別為45億年、7.3億年和26萬年。其余12種同位素都是在核反應過程中由人工制取,同位素相對豐度僅為0.00n%~0.000n%,半衰期多數都很短。上述鈾同位素都具有放射性,其中只有235U和238U是重要的核燃料。

            單質鈾 純金屬鈾是人工制取的,呈銀白色,微帶淡藍色調。鈾具有金屬光澤,粉末狀金屬鈾呈灰黑色(條痕)。金屬鈾不是良導體。鈾的順磁性很弱,其隨強度升高而增加。磁比率χm=414×10-6cm·g·s。

            鈾同素異形體 鈾有α、β、γ 3種同素異形體。實驗測定結果表明,α變體在667.7?C時轉變為β變體;當溫度升高到774.8?C時,它又轉變為γ變體。當實驗條件變化,壓力為29.8千巴時,α、β、γ變體處于平衡的三相點(798℃即為1071K);當壓力大于29.8千巴時,γ變體直接轉變成α變體。

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            鈾的化學性質活潑,幾乎能與所有的非金屬作用(惰性氣體除外),也可與多種金屬形成屬互化物,也能與許多酸、堿、鹽起反應??諝庵幸?a >氧化,生成一層發暗的氧化膜,高度粉碎的鈾在空氣中極易自燃,塊狀鈾在空氣中易氧化失去金屬光澤,在空氣中加熱即燃燒,250℃下與反應,400℃下與氮反應生成氮化物,1250℃下與碳反應生成碳化物,250~300℃下與氫反應生成UH3,UH3在真空350~400℃下分解,放出氫氣。具有變價的特性,有+3、+4、+5、+6幾種價態。

            在自然界中,鈾的穩定氧化態只有+4、+6價兩種,+4價鈾在還原條件下穩定,+6價鈾在氧化條件下穩定。U4+呈弱堿性,當pH=2時發生水解,在溶液中呈綠色;U6+具有兩性特征,但酸性較強,堿性較弱。

            鈾屬親石元素,與氧具有很強的親和力。自然界中,鈾總是以各種氧化物和含氧化合物的形式出現。鈾的主要化合物包括鈾的氧化物、鈾的鹵化物、鈾鹽等。主要的鈾氧化物有二氧化鈾(UO2)、八氧化三鈾(U3O8)、三氧化鈾(UO3)。鈾鹵化物主要有UF3、UF4、UF5、UF6、UCl3、UCl4、UCl5、UCl6。鈾與各種酸作用可生成相應的鹽類,如硝酸鈾酰、氟化鈾酰、硫酸鈾酰等。

            三、鈾的放射性

            放射性是指元素從不穩定的原子核自發地放出射線(如α射線、β射線、γ射線等)衰變形成穩定的元素而停止放射(衰變產物)的一種現象。這種不穩定的原子核自發地放出某種射線而轉變成另一種原子核的變化過程,稱為放射性衰變或核衰變。放射性核在衰變過程中遵守能量、質量及電荷守恒定律。原子序數大于82的元素因其原子核的不穩定性都具有放射性,鈾(原子序數為92)是最容易發生放射性衰變的元素之一。

            放射性核素(指具有放射性的、由一定數目質子和一定數目中子構成的原子)的衰變方式主要有α衰變、β衰變、電子俘獲和同質異能躍遷。

            α衰變:不穩定原子核自發的放出α粒子而轉變成另一種原子核,這種衰變稱為α衰變。

            α粒子由兩個中子和兩個質子組成,它的質量數為4,帶兩個正電荷。α粒子是高速運動的氦原子核()。原子核經α衰變后產生的新原子核,其質量數減少4,原子序數減少2。

            β衰變:不穩定原子核自發的放出β粒子和中微子而轉變成另一種原子核,這種衰變稱為β衰變。

            β粒子是帶有一定能量的電子。原子核經β衰變后產生的元素,其原子序數增加1,質量數不變。

            β衰變有兩種:即β+衰變和β-衰變。β+衰變是當原子核中質子過剩時,質子轉化為中子而放出β+粒子和中微子;β-衰變是當原子核中的中子過剩時,中子轉化為質子而放出β-和中微子。天然放射性核素的β衰變主要是β-衰變。

            α、β衰變時常伴隨放出γ光子。γ光子不帶電,質量為零,波長很短,通常小于10pm(10-12m),其能量可達100keV~10MeV。放出γ光子的核變化稱為γ衰變。γ衰變過程中,原子核放出的電磁波,即γ射線(γ光子)。

            電子俘獲:當原子核中質子過剩時,原子核中的質子從核外捕獲一個軌道電子而變成一個中子,這種衰變稱為電子俘獲。

            同質異能躍遷:衰變前、后核素的原子序數(Z)和質量數(A)都相同,只是能量不同(因衰變后原子核的能量由于放出γ光子而減少)的衰變稱為同質異能躍遷。

            放射性核素衰變時會放出射線,這些射線不是單一的,當射線通過電、磁場時就可以發現是一種分別為帶正電荷的α射線和帶負電的β射線以及不帶電的γ射線(圖1-2),其穿透能力為:α射線較弱,β射線較強,γ射線很強(圖1-3),這些射線通過物質時,與物質發生作用,產生某些效應和現象。

            

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            圖1-2 α、β、γ射線

            

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            圖1-3 α、β、γ射線的穿透能力

            自然界存在3個天然放射性系列,即鈾(U)系、釷(Th)系和錒鈾(AcU)系。這3個天然放射性系列中,分別以238U、232Th和235U作為3個放射性系列的起始元素,它們的半衰期都很長,在1到100億年之間。起始元素經過衰變,形成一個新元素稱為衰變子體,但這個元素仍不穩定,將繼續衰變下去,直至形成一種穩定的元素為止。每個系列中各有一個氣態同位素,通常稱為射氣,原子序數為86,而206Pb、207Pb、208Pb則分別是3個放射性系列的最終穩定元素。起始元素稱為“母體”,其他衰變產物稱為“子體”,“母體”及其衰變“子體”組成一個衰變鏈,其稱為放射性系列。

            4個放射性系列如圖1-4。

            鈾放射性系列可表示為:

            238U(不穩定核素)→234Th→234Pa→234U→230Th→226Ra→222Rn→…→206Pb(穩定核素);

            釷放射性系列可表示為:

            232Th(不穩定核素)→228Ra→228Ac→228Th→224Ra→220Rn→…→208Pb(穩定核素);

            錒鈾放射性系列可表示為:

            235U(不穩定核素)→231Th→231Pa→227Ac→227Th→223Ra→219Rn→…→207Pb(穩定核素)。

            除以上3個天然放射系列之外,還有用核反應方法合成的一個人工放射系——镎系:

            237Np(不穩定核素)→233Pa→233U→229Th→225Ra→225Ac→221Fr→…→209Bi(穩定核素)。

            當然核裂變碎片也往往形成遞次衰變的放射系,也屬于人工放射系。

            依據放射性系列的衰變規律,以及鈾—鉛同位素演化特征,可以進行放射性定年以及鈾地球化學示蹤,這對推動鈾礦地質理論研究以及指導鈾資源勘查具有重要意義。

            

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            圖1-4 4個放射性系列衰變圖

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