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化學(xué)元素中的釷與鏷


實(shí)驗(yàn)室k / 2018-12-15

       在地殼中釷的儲量比錫(50)還要高——幾乎達(dá)到錫的3倍。釷的儲量也比鈾(92)高3倍以上,這就是人們付出極大的努力(也就是數(shù)十億美元)來研究開發(fā)可持續(xù)的以釷為基礎(chǔ)的核動力反應(yīng)堆的原因。釷是豐富的,但那只是在研究人員創(chuàng)造出令元素收藏家垂涎的巨大庫存的優(yōu)質(zhì)釷金屬之后的事情。

釷的基本數(shù)據(jù)

       釷的豐富儲量導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果是,在許多年里對它的利用完全是在化學(xué)性質(zhì)方面,而全然不顧它具有放射性這一事實(shí)。直到最近,氧化釷還被用在野營汽燈的燈頭紗罩中,當(dāng)它被煤油火焰加熱時(shí)會發(fā)出明亮的光。許多種別的氧化物用起來也有同樣的效果,但氧化釷的價(jià)格低廉,并且在很長時(shí)間里人們并沒有發(fā)現(xiàn)氧化釷的低度輻射會造成什么問題,甚至現(xiàn)在依然能買到含釷的鎢(74)焊條,它含有2%的釷,有助于產(chǎn)生電弧。

       有一種含有相當(dāng)劑量的鐳(88)和釷,并于1932年被最終叫停的稱為“鐳補(bǔ)”(Radithor)的所謂健康飲料曾經(jīng)廣為流行,那是一種冒牌的放射性醫(yī)療產(chǎn)品。埃本·拜爾斯(Eben Byers(1880-1932),美國實(shí)業(yè)家。他在飲用了1400瓶“鐳補(bǔ)”之后下頜發(fā)生脫落并隨后死于鐳輻射。在他死后,人們發(fā)現(xiàn)他的腦殼和大腦中有許多空洞)是一個(gè)富裕的花花公子式的實(shí)業(yè)家,他每天飲用三瓶Radithor。關(guān)于他的死,華爾街日報(bào)的頭條報(bào)道說“直到他的下頜脫落之前,那種鐳藥水都良好地起著作用”。這一事故推動了美國食品藥品管理局加強(qiáng)對化枚品和醫(yī)療設(shè)備的控制,但這還不是關(guān)于釷的最為奇怪的故事。

       在第二次世界大戰(zhàn)激戰(zhàn)正酣時(shí),同盟國的情報(bào)部門由于發(fā)現(xiàn)以下情報(bào)而驚慌失措:一個(gè)叫奧厄公司的德國軍火承包商從被占領(lǐng)的巴黎的一家公司中沒收了庫存量巨大的釷并將它運(yùn)回德國。為同盟國研究原子彈的核科學(xué)家意識到,如果德國人已經(jīng)認(rèn)識到了他們需要釷,那他們在原子彈計(jì)劃上ー定走了很遠(yuǎn)了。事實(shí)上德國原子彈計(jì)劃的進(jìn)度著實(shí)可憐。而奧厄公司的秘密計(jì)劃則是在戰(zhàn)后開發(fā)一種新品牌的含釷牙膏——他們希望它和含鐳牙膏一樣普及,而為了這個(gè)計(jì)劃他們必須確保手頭有足夠的釷。

       但是,從來沒人對鏷做過類似的計(jì)劃。


       鏷是最后一個(gè)天然存在的化學(xué)元素,這著實(shí)惹惱了元素收藏家。和砹(85)、鈁(87)、錒(89)等元素不同,鏷的半衰期相當(dāng)長——32788年,這使得它雖然危險(xiǎn),但是在良好的襯鉛展示柜中炫耀一大塊還是完全實(shí)際的。然而,這種可望而不可及的狀況更加令人沮喪。

鏷的基本數(shù)據(jù)

       在20世紀(jì)60年代,總共收集了大約125克鏷并分配給想要研究它的潛在用途的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。情況顯然不是很好,因?yàn)闀r(shí)至今日還沒有發(fā)現(xiàn)它有什么用途。

       鏷最先是以它的極為短命的同位素鏷-234的形態(tài)(半衰期為1.17分鐘)在1913年為卡西米爾?法楊思(Kasimir Fajans(1887-1975),波蘭裔美國化學(xué)家)和O.H.戈林發(fā)現(xiàn)的。壽命更長的同位素鏷-231在1918年由弗雷德里克?索迪(Frederick Soddy(1877-1956),英國化學(xué)家。他抱憾終身是因?yàn)橥凰氐陌l(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了的原子彈出現(xiàn))和約翰?克蘭斯頓在蘇格蘭、奧托?哈恩和莉澤·邁特納(Lise Meitner(1878-1968),德國化學(xué)家;Otto Hahn(1879-1968),德國物理學(xué)家)在德國分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)。我們將會在第109號元素钅麥那一部分更詳細(xì)地介紹奧拓?哈恩和莉澤?邁特納,但是我們之所以能夠談?wù)摬煌耐凰鼐鸵獨(dú)w功于另一個(gè)團(tuán)隊(duì)的一位成員——弗雷德里克?索迪。

       索迪發(fā)現(xiàn),同一種元素的不同原子可能擁有不同的質(zhì)量,并為這一發(fā)現(xiàn)抱憾終身。

       元素定義為其原子核中擁有特定數(shù)目的質(zhì)子的物質(zhì)(該質(zhì)子數(shù)就是原子序數(shù),在各種類型的元素周期表中都可以看到)。但是,所有的原子核(1H除外)在含有質(zhì)子的同時(shí)還含有一群中子。同種元素的每一個(gè)同位素?fù)碛邢嗤瑪?shù)目的質(zhì)子,但是擁有不同數(shù)目的中子。例如,同位素鏷-234含有91個(gè)質(zhì)子(鏷是第91號元素)和143個(gè)中子(234-91=143)。而同位素鏷-231含有91個(gè)質(zhì)子,但只含有140個(gè)中子。

       中子的數(shù)目對原子的化學(xué)行為沒有實(shí)際影響,但對原子核穩(wěn)定性的影響卻是至為關(guān)鍵的。沒有適當(dāng)數(shù)目中子的原子核是不穩(wěn)定的,并且最終會飛散開去,這就稱為放射性衰變。

       原子衰變(稱為核裂變)的時(shí)候釋放出巨大的能量——這種能量就是核電站或者原子彈的基礎(chǔ)。弗雷德里克?索迪認(rèn)識到用這種方法能夠產(chǎn)生多么巨大的能量,并且開始勸誡說,人類現(xiàn)在可以期待一個(gè)清潔且美麗的無限能量的前景。但當(dāng)看到了第一次世界大戰(zhàn)中科學(xué)家是如何幫助血腥大屠殺之后,他轉(zhuǎn)身離開了核科學(xué),并且開始警告人們繼續(xù)研究核科學(xué)的可怕后果。

       雖然核科學(xué)已然不能給他帶來任何快樂,他還是活著看到了最壞的噩夢:1945年8月6日,一顆叫做“小男孩”的原子彈落在了日本的廣島市。

       那顆炸彈是用鈾制造的。


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