Фундаментальная радиохимия

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский Фудуральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина

Редактор академик РАН Б.Ф. Мясоедов

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250900 – Химимческая технология материалов современной энергетики

Рецензенты:

Московский государственный университет, д.х.н., профессор , член.-корр. РАН Мелихов И.В.

Декан химфака МГУ, зав.каф. Радиохимии, д.х.н., профессор , член.-корр. РАН Калмыков С.Н.

Пермский политехнический университет, д-р хим. наук

Ответственный секретарь журнала РАН Радиохимия, д.х.н., профессор Сидоренко Г.В.

Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина Российской академии наук, д.х.н., профессор, член-корр. РАН Тананаев И.Г.

Заведующий кафедрой физической и коллоидной химии УрФУ д.х.н., профессор Марков В.Ф.

Уран является 92-м элементом Периодической системы Д. И. Менделеева, последним из естественных элементов. Он – один из важнейших элементов, определивших современное состояние научных знаний о природе вещества и высокотехнологичных отраслей промышленности. На основе урана создано атомное и термоядерное оружие. Тепловыделяющие элементы из урана и его сплавов, а также из диоксида урана работают на атомных электростанциях, атомных подводных лодках, атомных ледоколах и авианосцах. Уран является исходным материалом для получения новых искусственных элементов (трансурановых): нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия, нобелия, лоуренсия и др.

История урана как химического элемента начинается с 1789 г., когда берлинский химик М. Клапрот в смоляной руде месторождения Иоахимсталь (ныне Яхимов, Чехия) обнаружил новый элемент. Он назвал его ураном в честь планеты Уран, открытой в 1781 г. астрономом В. Гершелем. Клапрот восстановил углем желтый триоксид урана и получил черные кристаллы с металлическим блеском. Он принял полученное вещество за металлический уран. Это заблуждение длилось более 50 лет.

В 1841 г. французский ученый Э. Пелиго показал, что «частично» металлическое вещество Клапрота в действительности представляет собой диоксид урана. Пелиго получил металлический уран восстановлением тетрахлорида урана металлическим калием.

После работ Пелиго считали, что атомная масса урана равна 120. При разработке периодического закона Менделеев, исходя из сходства свойств высших кислородных соединений урана и элементов подгруппы хрома VI группы, предположил, что атомная масса урана должна быть вдвое больше – 240. В 1882 г. немецкий химик Д. Циммерман экспериментально доказал, что атомная масса урана действительно близка к 240.

Обратив внимание на то, что уран в Периодической таблице является последним элементом, Менделеев в 1903 г. пророчески заметил: «…убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, приведет еще ко многим открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет новых предметов для исследования, особенно тщательно заниматься урановыми соединениями».

В настоящее время, когда получены отдельные атомы элементов с порядковыми номерами 110–118, нельзя не восхищаться прозорливостью великого ученого.

Следующий этап в истории радиохимии начался с 1896 г. Французский физик Антуан Анри Беккерель при исследовании флуоресценции урановых солей, воздействовав уранилсульфатом калия на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, обнаружил, что это соединение вызвало почернение фотопластинки. В дальнейшем было установлено, что все урановые соединения и металлический уран действуют на фотографическую пластинку аналогично. Так было открыто явление радиоактивности.

Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри обнаружили, что урановая смолка – руда, из которой добывают уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Они предположили, что урановая руда содержит новые радиоактивные элементы. И действительно, в 1898 г. были выделены полоний и радий.

В 1899 г. сотрудник Марии Кюри А. Дебьёрн обнаружил в урановой руде актиний, в 1900 г. немецкий физик Э. Дорн открыл радон. В дальнейшем были открыты десятки радиоактивных элементов. Их число превысило число клеток в Периодической таблице Менделеева. В 1913 г. Ф. Содди ввел понятие об изотопах. Это дало возможность свести радиоактивные элементы в три радиоактивных семейства: урана-238, тория-232 и урана-235.

В 1932 г. английский ученый Дж. Чедвик открыл нейтрон. Д. Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома.

Многие ученые стали изучать действие нейтронов на различные химические элементы. Э. Ферми облучал нейтронами уран. В облученном уране были найдены четыре носителя радиоактивности с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и 90 мин. Два последних соосаждались с диоксидом марганца. Ферми посчитал, что он выделил элементы с порядковыми номерами 93 и 94. Но метод их идентификации не выдерживал критики, так как с диоксидом марганца могли соосаждаться многие другие элементы.

В 1938 г. Ф. Жолио-Кюри и югославский ученый П. Савич нашли, что в продукте облучения урана нейтронами присутствует какой-то редкоземельный элемент.

Опыты Э. Ферми повторили также немецкие исследователи Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фредерик Штрассман. Они также не смогли доказать получение 93-го и 94-го элементов. О. Ган и Ф. Штрассман, исследуя продукты облучения урана нейтронами с использованием метода носителей, обнаружили во фракциях, осажденных с лантаном и барием, радиоактивность, которая не менялась при дробной кристаллизации солей бария, когда радий должен отделяться от бария. Следовательно, продукты облучения урана нейтронами содержат радиоактивные изотопы лантана и бария. 28 января 1939 г. Ган и Штрассман направили в журнал «Naturwissenschaft» статью «Доказательство возникновения активных изотопов бария из урана и тория при облучении их нейтронами».

Для объяснения данного факта О. Ган и Л. Мейтнер выдвинули гипотезу о делении ядер урана под действием нейтронов. Эта гипотеза была подтверждена многочисленными опытами. Л. Мейтнер и О. Фриш дали теоретическое обоснование процесса деления.

В Принстоне Н. Бор и А. Уилер приступили к разработке теории деления ядра (как капли). Они ссылались на работы сотрудника Ленинградского физико-технического института Я. И. Френкеля, который независимо от Бора и Уиллера предложил теорию деления ядер. После расчетов Ю. Б. Харитона и Я. Б. Зельдовича, Э. Ферми, Ф. Жолио-Кюри общепринятым стало положение о цепном характере деления ядер урана, так как кроме крупных осколков в одном акте деления выделяются 2–3 новых нейтрона. Процесс деления сопровождается выделением большого количества энергии – 200 МэВ на один акт деления.