导语
“为什么铀会衰变?”
一名同学好奇得问道。
其实铀会发生衰变是因为原子核内部的质子数量过多造成的。
原子核内部的质子数量过多,会造成质子之间的排斥力越来越大,但是原子核之间的相互作用力并没有因为质子数量的增加而变大,也就是说发生相互作用的粒子数量减少了,所以质子之间的排斥力在强相互作用力的限制下,原子核没有了平衡,有越来越大的能量,导致原子核不稳定。
为了减少平衡破坏的能量,原子核内部会释放α结团,这样可以减少质子的数量,达到平衡。
但是铀不停地衰变,为何地球上在经过45.5亿年的时间,依然还会存在着铀?
为什么铀不会衰变完。
要弄懂为什么地球上的铀不会在45.5亿年后全部衰变完,首先要了解关于半衰期这个概念。
原子核衰变是一个随机性的过程,单个原子核的衰变时间是不确定的,相对单个原子核而言,这个时间是一个不确定的时间。
要判断一组原子核中有多少个原子核衰变了,需要根据统计规律,这样才能够判断原子核的衰变趋势和规律。
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对于一组原子核而言,经过了半衰期的时间,可以认为其中有一半的原子核已经发生了衰变。
而这组原子核中剩下的一半的原子核又经过了一半衰变量的时间,又会有一半的原子核发生衰变,同样的,这组原子核中剩余的1/4又会衰变,向下以此类推,经过n个半衰期的时间,剩余的原子核数为N*2^(−n),其中N为初始的原子核数。
半衰期是放射性元素衰变速度的一个很重要的参数,半衰期的大小和放射性同位素的衰变速度是成正相关的,半衰期越长,说明这种放射性同位素的衰变速度就越慢,衰变出来的新物质就会减少。
铀有两种放射性同位素,分别是铀-238和铀-235,铀-238的半衰期约为44.68亿年,而铀-235的半衰期约为7.13亿年,所以铀-238的半衰期要大约是铀-235的6倍,通过衰变半衰期的概念可以得出结论:铀-238比铀-235更不容易衰变。
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所以地球上自然存在的铀在45.5亿年的时间内,相对于铀-235而言,铀-238的数量要足够多,接下来我们要探究地球上存在的铀的种类和丰度。
地球上自然存在的铀主要有铀-238,铀-235和铀-234 这三种,那么这三种铀各自所占的比例又是多少?
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铀-238的相对丰度约为99.2742%,铀-235的相对丰度约为0.7204%,铀-234的相对丰度约为0.0054%,所以铀-238的丰度远远大于铀-235,所以地球上的铀是不会在45.5亿年的时间内全部衰变完的。
为何铀的数量这么多。
铀是地球上所发现的最重的自然元素,铀在地壳中的含量大约是30g/吨,铀的存在主要是因为宇宙中的元素在高能事件中产生,比如恒星爆炸会产生大量的高温高能粒子,这些高温高能的粒子会和其他元素发生碰撞,导致它们之间的相互作用,从而产生出很多元素。
这些元素在明亮的恒星中会发生核聚变,不仅会产生出氢、氦等轻元素,还会产生出重元素。
当这颗恒星没有能量的时候,重元素会开始和原子核进行核裂变,当原子核通过核裂变的方式合成更重的元素时,会释放出更多的能量,这些能量会被元素的原子核所吸收,使得它们进一步的高能元素,不断往更重的原子核方向进行合成,这样就会产生出更多的铀元素。
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这颗恒星最终都会以超新星的方式爆炸,再次产生大量的高能粒子,这些高能粒子就会在空间中进行循环,和空间中的其他元素进行相互作用,这样就会产生更多的铀元素。
同时,铀元素不一定会在最早产生的时候就以地球的形式存在,整个宇宙不是一瞬间就诞生的,而是经过十几亿年形成的,宇宙中的铀元素也不是在两三天的时间里就形成的,而是经过漫长的时间才形成的,才会有如今这样铀元素的丰富。
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铀元素的应用。
铀元素作为人类利用核能的原料,对于科技的发展和人类社会做出了非常重要的贡献,同时也为地球上的生命提供了重要的放射性热量,对地球内部的地热和地球的演化有一定的影响。
铀元素的衰变过程对地球历史演化有着一定的重要性,而铀元素的衰变过程在核物理、地质学等领域也有着重要的应用,比如可以通过放射性定年法来对地球岩石的年代进行测定,可以对地球进行地质勘探,探测地球岩层中的成分,探索地下资源的丰富程度。
同时由于铀元素可以作为人类利用核能的原料,所以在人类的工业生产中也有着非常重要的应用,同时核电站也是利用核能进行发电的主要设备之一。
但是人类利用核能的同时,也会产生大量的放射性废物,这些放射性废物如果不处理好,人类将会在这些废物中受到严重的伤害,可以说,铀元素的衰变速度和半衰期的确定对人类有着极大的影响。
同时铀元素的衰变过程也会受到环境等一系列复杂因素的影响,所以要对铀元素进行研究时,要多方面进行考虑。
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结语
铀元素是地球上重要的元素之一,同时也是少有的直接影响人类生活的元素之一,所以对于铀元素的研究至关重要。
同时,人类利用核能也要注意环境的影响,要不断创新,减少对于环境的污染。
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