บทความนี้เล่าว่าเมื่อใดที่ธาตุเคมีเช่นยูเรเนียมถูกค้นพบและอุตสาหกรรมใดที่สารนี้ถูกใช้ในสมัยของเรา
ยูเรเนียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีในอุตสาหกรรมพลังงานและการทหาร
ตลอดเวลา ผู้คนพยายามค้นหาแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง และในอุดมคติแล้ว - เพื่อสร้างเครื่องเคลื่อนไหวที่เรียกว่าถาวร น่าเสียดายที่ความเป็นไปไม่ได้ของการมีอยู่ของมันได้รับการพิสูจน์ในทางทฤษฎีและพิสูจน์ได้ในศตวรรษที่ 19 แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่เคยหมดหวังที่จะตระหนักถึงความฝันของอุปกรณ์บางชนิดที่สามารถผลิตพลังงาน "สะอาด" จำนวนมากได้ นานมาก
ส่วนหนึ่งเกิดขึ้นจากการค้นพบสารเช่นยูเรเนียม องค์ประกอบทางเคมีที่มีชื่อนี้ก่อกำเนิดเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งในสมัยของเราให้พลังงานแก่ทั้งเมือง เรือดำน้ำ เรือขั้วโลก และอื่นๆ จริงอยู่ พลังงานของพวกเขาไม่สามารถเรียกว่า "สะอาด" ได้ แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัทจำนวนมากได้พัฒนา "แบตเตอรี่อะตอมมิก" แบบกะทัดรัดที่ใช้ไอโซโทปเพื่อจำหน่ายในวงกว้าง ซึ่งไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและปลอดภัยต่อสุขภาพ
อย่างไรก็ตาม ในบทความนี้ เราจะมาวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับประวัติการค้นพบองค์ประกอบทางเคมีเรียกว่า ยูเรเนียม และปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียส
คำจำกัดความ
ยูเรเนียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม 92 ในตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ มวลอะตอมของมันคือ 238.029 มันถูกกำหนดโดยสัญลักษณ์ U ภายใต้สภาวะปกติ มันคือโลหะสีเงินหนาทึบ ถ้าเราพูดถึงกัมมันตภาพรังสี ยูเรเนียมเองก็เป็นองค์ประกอบที่มีกัมมันตภาพรังสีต่ำ นอกจากนี้ยังไม่มีไอโซโทปที่เสถียรอย่างสมบูรณ์ และไอโซโทปที่มีอยู่เสถียรที่สุดคือยูเรเนียม-338
เราค้นพบว่าองค์ประกอบนี้คืออะไร และตอนนี้เรามาดูประวัติการค้นพบกัน
ประวัติศาสตร์
สารเช่นยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติเป็นที่รู้จักของคนมาตั้งแต่สมัยโบราณและช่างฝีมือโบราณใช้เพื่อทำเคลือบซึ่งใช้เคลือบเซรามิกต่างๆเพื่อกันน้ำของภาชนะและผลิตภัณฑ์อื่น ๆ รวมทั้งของพวกเขา ของตกแต่ง
ปี 1789 เป็นวันสำคัญในประวัติศาสตร์ของการค้นพบองค์ประกอบทางเคมีนี้ ในเวลานั้นนักเคมีและ Martin Klaproth ที่เกิดในเยอรมันสามารถได้รับยูเรเนียมที่เป็นโลหะเป็นครั้งแรก และองค์ประกอบใหม่ได้ชื่อมาเพื่อเป็นเกียรติแก่ดาวเคราะห์ที่ค้นพบเมื่อแปดปีก่อน
เกือบ 50 ปีแล้วที่ยูเรเนียมที่ได้รับนั้นถือเป็นโลหะบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ในปี 1840 นักเคมีจากฝรั่งเศส Eugene-Melchior Peligot สามารถพิสูจน์ได้ว่าวัสดุที่ได้รับจาก Klaproth แม้ว่าจะมีสัญญาณภายนอกที่เหมาะสม ไม่ใช่โลหะเลย แต่เป็นยูเรเนียมออกไซด์ ต่อมาไม่นาน Peligo คนเดิมก็ได้รับยูเรเนียมแท้เป็นโลหะสีเทาที่หนักมาก ตอนนั้นเองที่มีการกำหนดน้ำหนักอะตอมของสารเช่นยูเรเนียมก่อน องค์ประกอบทางเคมีในปี 1874 ถูกวางโดย Dmitri Mendeleev ในตารางธาตุที่มีชื่อเสียงของเขา และ Mendeleev ได้เพิ่มน้ำหนักอะตอมของสารเป็นสองเท่า และเพียง 12 ปีต่อมา ก็ได้รับการพิสูจน์จากการทดลองว่านักเคมีผู้ยิ่งใหญ่ไม่ได้คิดผิดในการคำนวณของเขา
กัมมันตภาพรังสี
แต่ความสนใจอย่างแพร่หลายในองค์ประกอบนี้ในชุมชนวิทยาศาสตร์เริ่มต้นขึ้นในปี พ.ศ. 2439 เมื่อเบคเคอเรลค้นพบความจริงที่ว่ายูเรเนียมปล่อยรังสีที่ได้รับการตั้งชื่อตามนักวิจัย - รังสีเบคเคอเรล ต่อมา มารี คูรี หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดในสาขานี้ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่ากัมมันตภาพรังสี
วันสำคัญต่อไปในการศึกษายูเรเนียมถือเป็นปี พ.ศ. 2442 ในขณะนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบว่าการแผ่รังสีของยูเรเนียมเป็นเอกพันธ์และแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ รังสีอัลฟาและเบตา และอีกหนึ่งปีต่อมา Paul Villar (Villard) ได้ค้นพบรังสีกัมมันตภาพรังสีชนิดที่สาม ซึ่งเป็นรังสีกัมมันตภาพรังสีชนิดสุดท้ายที่เรารู้จักในปัจจุบัน นั่นคือรังสีแกมมาที่เรียกว่ารังสีแกมมา
เจ็ดปีต่อมาในปี 1906 รัทเธอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลองครั้งแรกโดยใช้ทฤษฎีกัมมันตภาพรังสีบนพื้นฐานของทฤษฎีกัมมันตภาพรังสี โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อกำหนดอายุของแร่ธาตุต่างๆ การศึกษาเหล่านี้วางรากฐานสำหรับการก่อตัวของทฤษฎีและการปฏิบัติของการวิเคราะห์เรดิโอคาร์บอน
แตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม
แต่บางทีการค้นพบที่สำคัญที่สุดต้องขอบคุณการที่การขุดและการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมอย่างแพร่หลายเพื่อจุดประสงค์ทั้งในด้านสันติภาพและการทหารเป็นกระบวนการแยกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม มันเกิดขึ้นในปี 1938 การค้นพบนี้ดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Otto Hahn และ Fritz Strassmann ต่อมา ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันทางวิทยาศาสตร์ในผลงานของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันอีกหลายคน
สาระสำคัญของกลไกที่ค้นพบมีดังนี้: ถ้าคุณฉายรังสีนิวเคลียสของไอโซโทปยูเรเนียม-235 ด้วยนิวตรอน เมื่อจับนิวตรอนอิสระ มันก็เริ่มแบ่งตัว และอย่างที่เราทุกคนทราบกันดีอยู่แล้ว กระบวนการนี้มาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล สิ่งนี้เกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากพลังงานจลน์ของรังสีเองและชิ้นส่วนของนิวเคลียส ตอนนี้เรารู้แล้วว่ายูเรเนียมฟิชชันเกิดขึ้นได้อย่างไร
การค้นพบกลไกนี้และผลลัพธ์ของมันคือจุดเริ่มต้นสำหรับการใช้ยูเรเนียมเพื่อสันติภาพและการทหาร
ถ้าเราพูดถึงการใช้งานเพื่อวัตถุประสงค์ทางการทหาร เป็นครั้งแรกที่ทฤษฎีที่ว่าเป็นไปได้ที่จะสร้างเงื่อนไขสำหรับกระบวนการเช่นปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องของนิวเคลียสยูเรเนียม (เนื่องจากต้องใช้พลังงานมหาศาลในการระเบิด ระเบิดนิวเคลียร์) ได้รับการพิสูจน์โดยนักฟิสิกส์โซเวียต Zeldovich และ Khariton แต่ในการสร้างปฏิกิริยาดังกล่าว ยูเรเนียมจะต้องได้รับการเสริมสมรรถนะ เนื่องจากในสภาวะปกติ มันไม่มีคุณสมบัติที่จำเป็น
เราคุ้นเคยกับประวัติขององค์ประกอบนี้แล้ว ตอนนี้เราจะหาว่ามันใช้ที่ไหน
การใช้และประเภทของไอโซโทปยูเรเนียม
หลังจากค้นพบกระบวนการเช่นปฏิกิริยาฟิชชันลูกโซ่ยูเรเนียม นักฟิสิกส์ต้องเผชิญกับคำถามว่าจะใช้มันที่ไหน
ปัจจุบันมีสองพื้นที่หลักที่ใช้ไอโซโทปของยูเรเนียม นี่คืออุตสาหกรรมและการทหารที่สงบสุข (หรือพลังงาน) ทั้งครั้งแรกและครั้งที่สองใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันของไอโซโทปยูเรเนียม-235 เฉพาะกำลังส่งออกเท่านั้นที่แตกต่างกัน พูดง่ายๆ ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ไม่จำเป็นต้องสร้างและรักษากระบวนการนี้ด้วยพลังงานเท่าที่จำเป็นต่อการระเบิดของระเบิดนิวเคลียร์
ดังนั้น อุตสาหกรรมหลักที่ใช้ปฏิกิริยาฟิชชันยูเรเนียมถูกแสดงในรายการ
แต่การได้รับไอโซโทปยูเรเนียม-235 นั้นเป็นงานที่ซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูงทางเทคโนโลยี และไม่ใช่ทุกรัฐจะสามารถสร้างโรงงานเสริมสมรรถนะได้ ตัวอย่างเช่น เพื่อให้ได้เชื้อเพลิงยูเรเนียม 20 ตัน ซึ่งเนื้อหาของไอโซโทปยูเรเนียม 235 จะอยู่ที่ 3-5% จะต้องเสริมสมรรถนะของยูเรเนียม "ดิบ" จากธรรมชาติมากกว่า 153 ตัน
ไอโซโทปยูเรเนียม-238 ส่วนใหญ่ใช้ในการออกแบบอาวุธนิวเคลียร์เพื่อเพิ่มพลัง นอกจากนี้ เมื่อมันจับนิวตรอน ตามด้วยกระบวนการสลายตัวของเบต้า ในที่สุดไอโซโทปนี้ก็จะกลายเป็นพลูโทเนียม-239 ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงทั่วไปสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่
ทั้งๆ ที่เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวมีข้อบกพร่องทั้งหมด (ค่าใช้จ่ายสูง ความซับซ้อนในการบำรุงรักษา อันตรายจากอุบัติเหตุ) การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวกลับคืนมาอย่างรวดเร็ว และผลิตพลังงานได้มากกว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนหรือไฟฟ้าพลังน้ำแบบคลาสสิกอย่างหาที่เปรียบไม่ได้
นอกจากนี้ ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมยังทำให้สามารถสร้างอาวุธนิวเคลียร์ที่มีอำนาจทำลายล้างสูงได้ มันโดดเด่นด้วยความแข็งแกร่งมหาศาลของมันญาติความเป็นปึกแผ่นและความจริงที่ว่ามันสามารถสร้างพื้นที่ขนาดใหญ่ที่ไม่เหมาะสมสำหรับการอยู่อาศัยของมนุษย์ จริงอยู่ อาวุธปรมาณูสมัยใหม่ใช้พลูโทเนียม ไม่ใช่ยูเรเนียม
ยูเรเนียมหมด
นอกจากนี้ยังมียูเรเนียมหลากหลายชนิดจนหมด มีกัมมันตภาพรังสีในระดับต่ำมาก ซึ่งหมายความว่าไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ มันถูกใช้อีกครั้งในแวดวงทหาร เช่น มันถูกเพิ่มเข้าไปในเกราะของรถถัง American Abrams เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับมัน นอกจากนี้ ในกองทัพไฮเทคเกือบทั้งหมด คุณสามารถหากระสุนต่างๆ ที่มียูเรเนียมหมดได้ นอกจากมวลที่สูงแล้ว พวกมันยังมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่ง - หลังจากการทำลายของโพรเจกไทล์ ชิ้นส่วนและฝุ่นโลหะของมันจะจุดไฟได้เองตามธรรมชาติ และเป็นครั้งแรกที่กระสุนปืนดังกล่าวถูกใช้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง อย่างที่เราเห็น ยูเรเนียมเป็นธาตุที่ถูกใช้ในด้านต่าง ๆ ของกิจกรรมของมนุษย์
สรุป
ตามการคาดการณ์ของนักวิทยาศาสตร์ ประมาณปี 2030 แหล่งยูเรเนียมขนาดใหญ่ทั้งหมดจะหมดลงอย่างสมบูรณ์ หลังจากนั้นการพัฒนาชั้นที่ยากต่อการเข้าถึงจะเริ่มขึ้น และราคาจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม แร่ยูเรเนียมเองนั้นไม่เป็นอันตรายต่อผู้คนอย่างแน่นอน นักขุดบางคนทำงานเกี่ยวกับการสกัดแร่มาหลายชั่วอายุคน ตอนนี้เราได้ทราบประวัติการค้นพบองค์ประกอบทางเคมีนี้แล้วและวิธีการใช้ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของธาตุนั้น
อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเป็นที่รู้จักกัน - สารประกอบยูเรเนียมถูกใช้เป็นสีสำหรับพอร์ซเลนและแก้ว (ที่เรียกว่าแก้วยูเรเนียม) จนถึงปี 1950