اکتینیدها(عناصر پرتوزا)-اورانیوم-پرتوزایی-نیمه عمر

[F.PHYSICIST]

عنصرهای ۹۰ تا ۱۰۳ دسته اکتینیدها راتشکیل می‌دهند. در این ردیف از عنصرها، الکترونهای متمایز کننده اتم در تراز ۵f لایه ظرفیت اتم وارد می‌شود و ۱۴ عنصر از توریم (نودمین عنصر) تا لورسنیم (عنصر صد و سوم) را شامل می‌شوند. برعکس عنصرهای لانتانید، تنها سه عنصر اول این ردیف (توریم، پروتاکتینیوم و اورانیوم) در طبیعت یافت می‌شوند. از عنصر چهارم این سری به بعد که عنصرهای ترانس اورانیوم نام دارند، در طبیعت یافت نمی‌شوند و همگی رادیواکتیو می‌باشند.
نام این دسته از عنصر ۸۹، اکتینیم گرفته شده است.دراین عنصرها ساختارهسته نسبت به آرایش الکترونی از اهمیت کاربردی بیش تری برخورداراست.همه اکتینیدها هسته ناپایداری دارند، به این علت که ازجمله عنصرهای پرتوزا به شمار می‌آیند.شاید مشهورترین اکتینید، اورانیوم باشد که از فروپاشی هسته آن انرژی لازم برای تولید برق در نیروگاهها، زیر دریایی‌ها و ناوهای هواپیمابر فراهم می‌شود.
اورانیم

یکی از عنصرهای شیمیایی است که عدد اتمی آن ۹۲ و نشانه آن U است و در جدول تناوبی جزو آکتنیدها قرار می‌گیرد. ایزوتوپ ‎۲۳۵U اورانیم در نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت و در سلاح‌های‌اتمی به عنوان ماده منفجره استفاده می‌شود.
اورانیم به طور طبیعی فلزی است سخت، سنگین، نقره‌ای رنگ و پرتوزا. این فلز کمی نرم تر از فولاد بوده و تقریبآ قابل انعطاف است. اورانیم یکی از چگالترین فلزات پرتوزا است که در طبیعت یافت می‌شود. چگالی آن ۶۵٪ بیشتر از سرب و کمی کمتر از طلا است.
سال‌ها از اورانیم به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا برای تهیه رنگ‌های اولیه در عکاسی استفاده می‌شد و خاصیت پرتوزایی (رادیواکتیو) آن تا سال ۱۸۶۶ میلادی ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم میلادی مخفی بود.
نیمه عمر

را به مدت زمانی گویند که ماده پرتوزا به نصف مقدار اولیهٔ خود بر اثر واکنشهای پرتوزایی تقلیل یابد و با رابطهٔ ذیل تعریف می‌گردد:

که در اینجا λ (لاندا) را ثابت واپاشی گویند. نیمه عمر رادیوایزوتوپ فلوئور-۱۸ بطور مثال قریب ۱۲۰ دقیقه‌است.
نیمه عمر اتم‌ها معیاری از ناپایداری آنهاست و برای مواد رادیواکتیو این پارامتر می‌تواند بین کسری از هزارم ثانیه تا چندین میلیون سال متفاوت باشد. برای نمونه نیمه عمر اتم کربن ۱۴ که میزان آن در مواد مختلف، معیار مناسبی برای زمان در تحقیقات باستان‌شناسی است، ۵۷۳۰ سال می‌باشد.
ویژگی‌های اورانیم

ورانیم یکی از سنگین‌ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) 18,97 g/cm³ عنصری است که در طبیعت یافت می‌شود (هیدروژن سبکترین عنصر طبیعت است Platin 21,45 g/cm³ .) اورانیم خالص حدود ‎۱۸/۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد پرتوزا در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت می‌شود.
اورانیم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود ‎۹۹/۳ درصد از اورانیمی که در طبیعت یافت می‌شود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ‎۰/۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵). دیگر ایزوتوپ‌های اورانیم بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهم‌تر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ‎۰/۷ درصد) آمادگی آن را دارد که در شرایط خاص شکافته شود و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ «اورانیم شکافتنی» (Fissil Uranium) هم گفته می‌شود و برای شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود.
اورانیم نیز همانند دیگر مواد پرتوزا دچار تباهی می‌شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می‌کنند.
U-۲۳۸ باسرعت بسیار کمی تباه می‌شود و نیمه عمر آن در حدود ‎۴، ۵۰۰ میلون سال (تقریبآ برابر عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با تباه شدن اورانیم با همین سرعت کم انرژی برابر ‎۰/۱ وات برای هر یک تن اورانیم تولید می‌شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.
شکافت هسته‌ای اورانیم

U-۲۳۵ قابلیت شکاف هسته‌ای دارد. این نوع از اتم اورانیم دارای ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است (بنابراین جمعآ ۲۳۵ ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-۲۳۵ نامیده می‌شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود.
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می‌گیرد، در این حالت یک اتم U-۲۳۵ به دو اتم دیگر تقسیم می‌شود و دو، سه و یا بیشتر نوترون آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده خود با اتم‌های دیگر U-۲۳۵ ترکیب می‌شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتم‌های U-۲۳۵ تشکیل می‌شود.
اتم U-۲۳۵ با دریافت یک نوترون به اورانیم ۲۳۶ تبدیل می‌شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می‌شود بگونه‌ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-۲۳۵ بسیار قابل توجه می‌شود.
نمونه‌ای از این واکنش‌ها به اینصورت است:

U-۲۳۵ + n Ba-۱۴۱ + Kr-۹۲ + ۳n + ‎۱۷۰ Million electron Volts‎
U-۲۳۵ + n Te-۱۳۹ + Zr-۹۴ + ۳n + ۱۹۷ Million electron Volts

که در آن: electron Volt = ۱٫۶۰۲ x ۱۰-۱۹ joules
(یک ژول انرژی برابر توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه‌است.)
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته‌ای انجام گیرد. رآکتور هسته‌ای می‌تواند از انرژی آزاد شده برای گرم کردن آب استفاده کند تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین‌های بخار و تولید برق استفاده شود.