Пока что это все, что известно про данный элемент. И скорее всего, еще не скоро актиний будет хорошо изученным элементом.
Торий. Божественный
Исследуя один редкий минерал в 1815 году, Берцелиус обнаружил новый элемент, который был назван торием в честь всемогущего древнескандинавского божества Тора. Поначалу он не был востребован и имел весьма скромную, но важную область применения — при производстве газокалильных сеток. В конце XIX века было широко распространено газовое освещение, а не электрическое. Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах изобрел колпачки из оксидов церия и тория, которые увеличивали яркость свечения.
Торий — радиоактивный элемент, и это определило область его применения в XX веке. Например, ученые знают, что скорость распада конкретного элемента постоянна и не зависит от внешних факторов. Поэтому, зная содержание тория и его дочерних элементов в минералах, еще в 1904 году ученые научились определять геологический возраст пород. Первым эту идею высказал Пьер Кюри.
Дочерний продукт распада тория нашел свое применение в производстве светящихся красок, которыми наносили цифры на циферблаты часов. Однако через несколько лет обнаружили, что со временем циферблаты перестают светиться. В 20-х годах прошлого столетия резко увеличилась смертность работниц, которые рисовали цифры этими красками. Патологоанатомы обнаружили, что в костях умерших работниц накапливался изотоп 228Rh. А все из-за того, что все рисовальщицы заостряли концы кисточек губами. За год они проглатывали всего 1,75 грамма краски, но и этого было достаточно.
Попадание же самого тория, а не его продукта деления, в желудок не вызывает отравления. Все потому что в желудке кислая среда, которую создает соляная кислота HCl. В таких условиях соединения тория гидролизуются. А гидроксид тория Th(OH)4 — нерастворимое соединение, которое легко выводится из организма с продуктами жизнедеятельности. Острое отравление может вызвать лишь огромная доза в 100 граммов тория. Обычному человеку никогда с таким столкнуться не удастся.
Протактиний
Существование этого элемента предсказали почти за полвека до его открытия. Он является элементом с двойственными химическими свойствами. В одновалентном состоянии он похож на ниобий и тантал, в других валентных состояниях схож с остальными актиноидами. При этом протактиний — это один из тех элементов, который практически не применяется.
Когда Д. И. Менделеев составлял периодическую таблицу, он оставил пустое место между торием и ураном — двумя самыми тяжелыми элементами, известными на то время. Менделеев предполагал, что этот промежуточный элемент будет иметь химические свойства, схожие со свойствами тантала, поэтому назвал его эка-танталом.
История открытия протактиния тесно связана с историей поиска разных радиоактивных элементов, в особенности она связана с актинием. Протактиний открыли практически одновременно несколько ученых из Германии и Англии. Его обнаружили при переработке минералов урана, точно также как и полоний, радий, актиний. И нашли его во фракции, которая содержала тантал. Недаром Менделеев назвал его эка-танталом. Гленн Сиборг говорил, что протактиний — «один из самых капризных и неуловимых элементов».
В это же время обнаружилась связь протактиния и актиния. Выяснилось, что изотоп протактиния испускает альфа-частицы (ядра атома гелия) и превращается в актиний. Отсюда и появилось название протактиний, которое означает «предшествующий актинию».
В 1921 году в историю науки вошел изотоп 234Pa. При его изучении было открыто явление ядерной изомерии. Это явление состоит в том, что некоторые радиоактивные ядра способны распадаться двояко — с разными периодами полураспада (время, за которое распадется половина атомов, которые у нас были). 234Pa в основном распадается, испуская бета-частицу и период полураспада составляет 1,17 минуты, превращаясь в 234U. Но одно из тысячи ядер протактиния ведет себя иначе. Оно испускает гамма-квант (фотон с большой энергией) и превращается в новое ядро, тоже бета-активное, но с более низким уровнем энергии. Это тоже изотоп 234Pa, но период его полураспада составляет уже 6,7 часа.
Практическое применение протактиния ограничивает его токсичность. Она примерно в 250 миллионов раз превышает токсичность синильной кислоты. К тому же, природные источники протактиния практически бесперспективны. Данный элемент интересен исключительно с точки зрения науки.
Уран. Добро или зло?
1789 год — это первая важная дата в истории урана, когда немецкий химик Мартин Генрих Клапрот из смоляной руды получил золотисто-желтую землю (землями называли оксиды элементов) и восстановил ее до черного металлоподобного вещества. Он посчитал, что это новый химический элемент и назвал его в честь самой далекой из известных на то время планет, открытой восемью годами раньше — ураном.
Целых 50 лет во всем мире считалось, что Клапрот открыл новый химический элемент. Но в 1841 году француз Эжен Пелиго доказал, что это была ошибка. Клапрот получил всего лишь соединение урана UO2, а не чистый металлический уран. А вот Пелиго сумел получить настоящий металлический уран.
Дальше к изучению урана приложил руку сам Д. И. Менделеев в 1874 году, поместив его в свою периодическую таблицу элементов на самое последнее место, после всех известных на то время элементов. До Менделеева считалось, что атомный вес урана 120. Но Дмитрий Иванович обнаружил ошибку в вычислениях и определил, что атомный вес урана в 2 раза больше. В дальнейшем это подтвердилось экспериментально.
Поначалу уран имел совсем иное применение, нежели сейчас. Из него изготавливали краски, стекла, фарфор. Стеклянные и фарфоровые изделия на основе соединений урана можно встретить и сейчас в различных музеях.
В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, и обнаружилось, что уран радиоактивен. С тех пор началось доскональное изучение свойств урана, а также это положило начало поискам новых областей применения этого металла.
В 1939 году была открыта цепная ядерная реакция деления ядер урана. Это очень редкое явления для природных изотопов урана, которое наблюдается в одном из миллиона случаев распада ядер урана. В этом случае ядро урана распадается на два новых ядра примерно равных по массе. Это явление очень заинтересовало военных, так как при этом процессе высвобождалось огромное количество энергии. Учитывая, что во всем мире шла II Мировая война, военные стремились получить тотальное преимущество перед своими противниками, создав оружие невиданной мощности, способное за раз уничтожить огромное количество людей.
Было обнаружено, что при делении ядер урана также образуется несколько новых нейтронов, которые сталкиваются с другими ядрами урана и вызывают их распад. Ученым всего мира стало очевидно, что подобно горению, ядерная реакция может сама себя поддерживать.
Количество ученых, занятых исследованием свойств урана и освоением ядерной реакции, резко возросло, а вот информация о них так же резко сократилась. Все было разом засекречено, и началась гонка вооружений: кто первый освоит и создаст оружие массового поражения на основе процесса деления ядер урана. В настоящее время многое из тех исследований уже широко известно. Но есть такие исследования, о которых до сих пор никто не знает. Если вы хотите увидеть своими глазами химические опыты, проводимые с ураном, то обязательно посмотрите видео на нашем YouTube-канале. Такого еще никто и никогда не показывал во всем мире.
Открытия 30-х годов легли в основу современной ядерной физики и атомной энергетики. Они помогли глубже понять строение атома. С помощью облучения урана потоком нейтронов научились получать другие химические элементы, которые порой были гораздо дороже золота. В некотором смысле уран сыграл роль философского камня, который ранее искали алхимики на протяжении нескольких сотен лет.
Вот таким неожиданным образом никому не нужный уран, не имевший практического применения, за 10–15 лет превратился в стратегическое сырье № 1. Были исследованы все уголки мира в поисках его месторождений.
В тонне гранита содержится примерно 25 граммов урана. Но полная энергия этих 25 граммов эквивалентна теплосодержанию 125 тонн каменного угля. Если собрать весь имеющийся на Земле уран и использовать его энергию деления, то она в миллионы раз больше, чем могут дать вместе взятые другие горючие ископаемые, имеющиеся на нашей планете. Если бы весь имеющийся в земле уран мгновенно распался, то выделившаяся энергия раскалила бы поверхность Земли до нескольких тысяч градусов.
Эпоха гонки за ядерным оружием закончилась в 40–50-ые годы прошлого столетия. Затем уран нашел свое применение в мирной сфере. К этому приложил огромные усилия Игорь Васильевич Курчатов, который считал своим долгом найти мирное применение урану. Под его руководством был создан первый в мире атомный реактор, предназначенный для мирных целей. Так родилась атомная энергетика.
Сейчас есть ряд задач в атомной энергетике, над которыми бьются ученые атомной промышленности. Например, при работе АЭС за время работы тепловыделяющей сборки (ТВС) выгорает не весь уран. Часть урана превращается в другие элементы, которые могут мешать дальнейшему использованию ТВС. Можно провести аналогию с обычной жизнью: представьте, что в вашем телефоне аккумулятор заряжен на 100 %, но вы можете разрядить его только на 5 %. Остальные 95 % вы не можете использовать, так как иначе аккумулятор по какой-то причине разбухнет и сломает телефон. Поэтому старую ТВС заменяют на новую. Однако в старой еще много урана. А в природных источниках, как вы знаете, очень мало. Поэтому остро стоит задача переработки старых ТВС и повторного использования уранового топлива. Когда будет замкнут ядерный топливный цикл, человечество совершит огромный технологический прорыв.