锕系元素

锕系元素以第Ⅲ族副族元素锕为首的一系列元素,是原子序数第89元素锕到第103元素铹,共15种放射性元素,在週期表中占有一个特殊位置。

锕系元素,是元素周期表原子序数为89~103的15种化学元素的统称。它们化学性质相似,所以单独组成一个系列,在元素周期表中占有特殊位置。前四种元素锕、钍、镤、铀存在于自然界中,其余11种全部由人工核反应合成。人工合成的锕系元素中,只有钚、镎、镅、锔等年产量达到公斤级以上,锎仅为克级。锿以后的重锕系元素由于量极微,半衰期很短,仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。锕系元素主要用作核反应堆的原料,便携式的γ或X射线源;铀和钚等是制造核武器的主要原料。

中文名:锕系元素

外文名:actinicles

别称:5f过渡系

化学符号:An

物理属性:金属

锕系元素的发现历程

1789年克拉普罗特(M.H.Klaproth)从沥青铀矿中发现铀,是锕系中第一个被发现的元素。1828年贝采利乌斯(J.J.Berzelius)发现钍。铀和钍的发现为大部分其他锕系元素的制取开辟了道路。1899年在居里实验室工作的德比尔纳(A.L.Debierne)发现锕,1902年盖瑟尔(F.Geisel)也独立发现了锕。1913年法扬斯(K.Fajans)和格林(O.hring)发现了镤的同位素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)发现了231Pa。1940年麦克米伦(E.M.McMillan)和艾贝尔森(P.H.Abelson)用中子辐照天然铀得到镎。同年,西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轰击铀得到钚。1944年他又利用钚同位素的中子俘获反应获得镅,用氦离子轰击钚同位素获得锔。1949年汤普森(S.G.Thompson)等人用氦离子轰击241Am获得锫,1950年用氦离子轰击242Cm获得锎。吉奥索(A.Ghiorso)等人又于1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分别获得锿、镄、钔、锘和铹。

锕系元素的制取和分离

当前世界锕系各种元素的生产规模相差很大;铀的年产量以万吨计,钍以千吨计,钚以吨计,镎、镤、镅以公斤计,锕、镤、锔、锎以克计,锎外锕系元素以毫克甚至以原子数计。中国已制得所有的锕系元素。

他们都是很活泼金属,特征氧化态为+3,其水合离子大多具有颜色。溶剂萃取和离子交换是广泛使用的分离锕系元素方法。

锕系元素的理化性质

物理性质

锕系元素是元素周期表中第7同期IIIB族位置所共有的89~103号15种元素的总称,包括锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Lr),这些锕系元素都具有放射性。其原子结构在锕以后逐次填充5f能级电子,直到充满14个,且其最外层一次外层电子构型完全相同。

化学性质

锕系元素都是金属,与镧系元素一样,化学性质比较活泼。它们的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐可溶于水,氢氧化物、氟化物、硫酸盐、草酸盐不溶于水。大多数锕系元素能形成配位化合物。

α衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性,随着原子序数的增大,半衰期依次缩短,铀238的半衰期为44.68亿年;铹260的半衰期只有3分钟。

锕系元素的毒性和辐射(特别是吸入人体内的α辐射体)的危害较大,必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。

锕系元素的应用价值

在人工合成的锕系元素中,只有钚、镎、镅、锔的年产量达千克级以上,锎仅为克量级,锿以后的元素量极少,半衰期很短,仅用于研究。用途比较多的只限于铀和钍,钚在某些情况下用作核燃料。

核能利用

核反应堆

在核能利用方面,最重要的核素有铀233、铀235和239,它们是反应堆、核电站或其他核动力的易裂变燃料。铀235在自然界存在,铀233和钚239则分别通过钍232和铀238俘获中子等人工核反应生成。

天然铀有铀-234、铀-235和铀-238三种放射性同位素,按质量计,依次占0.006%、0.714%和99.27%。若按放射性活度计,则天然铀中铀-234和铀238,所所占份额相近,各约为48.9%,而铀-235仅占2.2%。

用同位素分离技术可使铀中的铀-235的丰度高于其天然铀中的原有丰度,此过程称为铀的富集。低丰度的铀可用作核动力堆燃料,而丰度高达90%以上的高浓铀可用作核武器装料,丰度20%以上的高浓度也可用作核爆炸装置的燃料。天然铀中经富集、提取核反应堆和核核武器用的铀-235后剩余的副产品—贫铀,可作为穿甲弹芯体或γ射线的屏蔽材料。

核燃料是指可裂变物质或可以裂变物质。可以发生裂变的物质与这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质指的是任何原子核可以发生核裂变的物质,而可裂变物质特指那些能够俘获低能量中子发生裂变,从而具有维持链式反应的能力。例如钚-239是可裂变物质,而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变,仅仅是可以发生裂变的物质。因此,可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分。铀-238是一种典型的可以发生裂变的物质,但是无法维持中子的链式反应。铀-235裂变产生的中子能量大约是2MeV(相当于20000km/s),仅仅有一小部分有足够的能量使铀-238发生裂变。但是氘氚核聚变反应产生的中子的能量达到14.1MeV(相当于52000km/s),可以很有效的使铀-238和其它不是可裂变物质的超铀元素发生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使铀-238发生裂变,因此铀-238无法维持链式反应。核武器爆炸的第二阶段中铀-238的快速核裂变可以大幅度提升核武器当量,同时也产生了大量的放射性尘埃。

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