Незаметный уран

Незаметный уран

Металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий. Растворяется в азотной кислоте. Разлагает воду. Радиоактивен. В земной коре распространен повсеместно. Весьма подвижен, крайне рассеян, легко вступает в связи с кислородом. Взаимодействие с водой приводит к разделению изотопов. Имеет многочисленное потомство. Среди потомков наиболее известны радий, радон, свинец, гелий.

В 1789 году М. Клапрот, выделив соединение UO₂, ошибочно называет его ураном.

В 1841 году Е. Пелиго получает металлический уран.

В 1853 году начата промышленная добыча урана.

В 1870 году Д. И. Менделеев определяет атомный вес и порядковый номер урана.

В 1896 году А. Беккерель обнаруживает явление радиоактивности.

В 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман открывают деление ядер урана.

В 1942 году произведен пуск первого в мире атомного реактора в Чикаго.

Названный в честь планеты, расположенный на окраине Солнечной системы, он длительное время занимал весьма скромную должность последнего элемента Периодической таблицы. Даже после открытия радиоактивности, события, вызвавшего цепную реакцию в естествознании, он довольно долго оставался побочным продуктом при производстве радия, имея весьма убогое применение в фотографическом процессе для усиления негативов, а также в стекольном и фарфоровом производстве.

Радикальное изменение судьбы 92-го элемента наступило после открытия процесса деления, которое отняло у него приоритет замыкающего Периодическую систему, сделав главным показателем энергетического и военного потенциала. Одновременно и вследствие этого на Земле наступил атомный век.

Создав эпоху атома, он послужил познанию мира как никакой другой элемент. В наше время количество изданий об уране как атомном сырьевом материале по весу, вероятно, сравнимо с размерами его добычи.

Являясь сильным мира сего, уран, кроме сферы проявления своего ядерного могущества, ведет вполне определенную и довольно рассеянную частную жизнь в качестве одного из 92-х химических элементов, построивших нашу планету. Здесь наши сведения об уране более ограниченны.

Давным-давно, когда создавалась наша планета, атомы урана разбежались врассыпную по всем горным породам и засели в них в состоянии рассеяния, пределы которого весьма широки, но в среднем 1 т горных пород содержит 3 г урана. Общепризнанно, что любым другим породам уран предпочитает граниты, однако относительно высокие его концентрации в вулканических лавах не редкость.

Состояние рассеяния является чрезвычайно характерной особенностью нахождения урана в природе. Но его многочисленные потомки - радий, радон, полоний, протактиний, актиний - рассеяны еще более. Урановые "дети" распадаются быстрее, чем их великий родитель, соответственно их удельная радиоактивность выше, и поэтому 1 г радия в единицу времени испускает в миллион раз больше α-частиц, чем равное количество урана. Значит, атомам радия никак нельзя собираться вместе - можно испариться от собственного тепла. Урановым атомам объединение тоже небезопасно. Сконцентрировался уран в месторождении Окло в Африке, началась ядерная реакция, и в результате самый ценный изотоп уран-235 в этих рудах выгорел, подобно тому как он выгорает в ядерных котлах атомных электростанций.

А вот в небольших количествах радиоактивные элементы не только безопасно распадаются в свое удовольствие, но и вносят свой полезный радиоактивный вклад в жизнедеятельность растений и животных.

Малые дозы радиоактивных элементов присутствуют во всех земных объектах: в горных породах, почвах, дождях, реках, в морских и подземных водах. Наряду с космическими и солнечными лучами естественная радиоактивность образует природный (или натуральный) фон окружающей среды. Ни на Земле, ни в космосе пока неизвестны объекты, стерильные в отношении радиоактивности. Можно заключить, что естественная радиоактивность есть неотъемлемое свойство окружающих нас объектов материального мира.

Миллиарды лет существует Земля, и в течение всей ее бурной истории естественные радиоактивные элементы участвуют в бесконечном круговороте вещества в природе. Дожди омывают поверхность суши, реки выносят смытые с нее вещества в моря. Континенты тонут в океане, а со дна морского поднимаются горы. Во всех этих геологических процессах участвуют радиоактивные элементы и среди них уран. Рассеянный уран не является источником атомного сырья, и его добыча вряд ли станет рентабельной. Поэтому рассеянный уран, по-видимому, не будет вовлечен в сферу материального производства и послужит исключительно научным интересам. Количество такого распыленного в земной коре урана составляет около 60 триллионов т. На этом фоне совершенно не смотрятся разведанные мировые запасы (600 тыс. т), сосредоточенные в месторождениях, где уран присутствует в виде минералов. И уже совсем незначительной кажется ежегодная мировая добыча - 20 тыс. т.

Уран рассеян, с одной стороны, и легко подвижен - с другой. Точнее, подвижность есть следствие рассеянности. Как известно, вода камень точит. Постоянно, в течение миллионов лет, вода разрушает горные породы и постепенно вымывает рассеянный уран. Слабосвязанные с веществом горной породы, распыленные атомы урана образуют растворимые соединения, которые легко становятся добычей воды. В результате гидросфера нашей планеты содержит в 10000 раз больше урана, чем все разведанные месторождения мира. Основное количество "водяного" урана сосредоточено в океане - 5 млрд. т. Жидкая "урановая руда" океана представляет собой возобновляемый источник сырья, запасы которого все больше привлекают внимание как объект промышленной разработки.

Океан хранит химические элементы, которые транспортируют по поверхности материков речные, дождевые и подземные воды, а с водами суши уран, извлеченный из горных пород, вступает в общий круговорот вещества в биосфере, и вместе с водой, которая его принесла, поглощается растениями.

В древние геологические эпохи, когда радиоактивные элементы только начали распадаться, радиоактивность земной коры была, естественно, выше. В те времена (3 млрд. лет назад) на Земле появились низшие растения: мхи и лишайники. В ходе эволюции появились более высокие формы растительности и одновременно с распадом радиоэлементов падала радиоактивность земной коры. Растения ощутили и "запомнили" это. Примитивные формы современных растений (мхи и лишайники) более всего любят радиоэлементы, у голосемянных склонность меньше, и наиболее воздержаны к потреблению радиоактивности покрытосемянные. Вкусы у растений тоже разные. Мхи предпочитают тяжелые радиоактивные элементы: уран, радий, полоний. Высшие растения ураном не корми, им подавай калий-40, доля которого в общей радиоактивности культурных растений может достигать 80% (против 5% у мхов и лишайников).

В. И. Вернадский первым отметил, что живые организмы выполняют роль концентратов рассеянных в биосфере химических элементов и, в частности, радиоактивных. Способность растений концентрировать радиоактивные элементы в десятки и сотни раз относительно их содержания в окружающей среде установлена многими опытами. Еще до войны в ряске, покрывавшей один из киевских прудов, обнаружили в 400 раз больше радия, чем в воде, в которой она выросла. Радиоактивные элементы распределены в растениях неравномерно: радий концентрируется там, где наиболее интенсивно протекает рост, - в молодых развивающихся листьях и плодах, уран предпочитает более старые органы - корни, ствол или стебель. С присущей ему прозорливостью В. И. Вернадский писал: "Несомненно, организмы не концентрируют радий случайно... Очевидно, концентрация радия живым веществом биосферы должна существенным образом влиять на энергетику биосферы и организмов".

Результатом способности растений концентрировать радиоэлементы является более высокая радиоактивность овощей по сравнению с мясной пищей.

И еще один факт.

В. И. Вернадский отметил, что "...накопление урана органическим веществом имеет огромное значение в геохимии этого элемента. Ибо все другие известные нам процессы способствуют его существованию в дисперсной форме". Одно растение содержит немного урана, но множество бывших растений образует каменный уголь, который содержит в 20 раз больше урана, чем самые "богатые" ураном граниты.

Уран накапливают не только наземные растения, но также водоросли и морские животные. Для морских водорослей накопление урана до концентраций, в сотни раз превышающих его содержание в морской воде, - обычное дело. Потребление урана морскими животными зависит от характера их питания. Как показали исследования, хищники содержат меньше урана, чем их жертвы, которые питаются растительной пищей.

Мировая добыча морской рыбной продукции составляет около 70 млн. т/год. Вместе с морской рыбой человечество извлекает из океана 1 т урана на сумму 20000 долларов. В различных группах морских организмов накопление урана таково: более всего концентрируют уран кораллы, затем иглокожие, моллюски, ракообразные и рыбы. Здесь очевидно сходство с наземными растениями: чем выше организация, тем меньше урана. В раковинах моллюсков урана накапливается больше, чем в их телах, а у рыб концентрация 92-го элемента в десятки раз выше в костях (где уран ассоциирует с кальцием), чем в мышцах. Наибольшее накопление урана отмечается в голове, печени и жабрах морских рыб. Примерно таким же образом распределен уран в организме человека. Приуроченность повышенных концентраций радиоэлементов к жизненно важным органам растений и животных вряд ли является случайной. Вопрос этот давно волнует исследователей, но трудно поддается изучению.

...Люди окружены ураном и потребляют уран. Соответственно они должны носить атомы урана в себе. И не только урана. В теле каждого человека в течение всей жизни постоянно присутствуют естественные радиоактивные элементы: тритий, углерод-14, калий-40, торий, радий, уран. С годами количество радиоактивных элементов не остается постоянным, вместе с пищей человек пополняет радиоактивные запасы своего тела.

С продуктами питания человек ежедневно съедает 3,5·10^-9 кюри К-40, 3·10^-9 кюри С-14 и 1,5·10^-11 кюри Ra, а его тело массой 70 кг при этом обладает суммарной радиоактивностью около 20000 распадов в секунду. Уровень γ-излучения тела мужчин несколько выше, чем у женщин, а с возрастом γ-излучение уменьшается. Такой эффект вызван снижением концентрации калия (и соответственно калия-40) с возрастным сокращением массы мышц.

Первые опыты по изучению биологического действия радиоактивных элементов на развитие растений, живых организмов и бактерий начались вскоре после открытия явления радиоактивности. Оказалось, что при внесении малых доз радиоактивных элементов в почву заметно повышаются урожай и качество продукции. Характерной особенностью действия радиоактивных элементов является повышение содержания белков у бобовых растений, сахара в корнях сахарной свеклы и овощных культурах, ускорение созревания. Эти опыты позволили выяснить, что естественные радиоактивные элементы биологически активны, и уран не составляет исключения, хотя эту свою деятельность 92-й элемент не афиширует, как, впрочем, и любую другую.

Жизнь на Земле возникла и прошла долгий путь эволюции на уровне естественного фона радиации, которая стала необходимым элементом развития биологических систем. Не исключено, что зарождение жизни связано с влиянием радиоактивности. Этот вопрос трудно разобрать, поскольку свидетели этих событий крайне молчаливы. По образному выражению Дж. Бернала, жизнь, подобно Афродите, родилась из морской пены. Одной из особенностей химического состава морской воды является ее сходство с тканевыми жидкостями животных. Так же, как и кровь человека, морская вода является буферным раствором хлористого натрия. Как метко заметил Р. Хорн, "человек представляет собой мешок с морской водой". К этому можно добавить, что концентрация кальция в морской воде не отличается от его содержания в сыворотке человеческой крови, а морские организмы вместе с кальцием усваивают из воды уран.

В конце прошлого века английский физиолог С. Рингер для изучения физиологических функций изолированных органов животных предложил использовать искусственный раствор солей по осмотическому давлению и концентрации ионов, близкий морской воде. С помощью этого раствора была доказана биологическая роль калия. 50 лет спустя голландский физиолог Х. Цваардемакер, пропуская через изолированное сердце лягушки раствор Рингера, пришел к выводу о физиологической роли радиоактивности, и в частности, радиоактивности К-40.

В 1953 году советские исследователи И. Н. Верховская и М. Б. Арутюнова заставили сокращаться лягушечье сердце под воздействием радиоактивного излучения урана или радиоактивного изотопа фосфора. На основании своих опытов они сделали вывод о физиологической роли радиоактивного излучения, которое может служить пусковым механизмом для центра автоматизма сердечной деятельности.

Через 20 лет антрополог Ричард Лики на берегу озера Рудольф в Северной Кении обнаружил череп древнего человека, который по своему строению оказался весьма близок современному. Это открытие, а также последующие находки Дональда Иохансона состарили человечество на 1,5 млн. лет. По мнению Р. Лики, африканские находки не подходят ни под одну из существующих гипотез эволюции и приводят к следующей реконструкции.

Где-то в конце третичного периода (2,5-3,8 млн. лет назад) произошли существенные перемены в наследственных свойствах гоминоидов. В результате возникло несколько разновидностей двуногих существ, которые были способны к примитивному труду. Среди них находился наш предок, чьи останки обнаружил Р. Лики. Возникает вопрос, какова причина генетических изменений, которые привели к возникновению рода Homo?

Оригинальный ответ предложил советский ученый Г. Н. Матюшин. Суть его рассуждений сводится к следующему. Обычно все процессы антропогенеза объясняли социально-экономическими факторами. Однако, как подчеркивает академик Н. П. Дубинин, для понимания соотношения биологического и социального в человеке важнейшим является тот до сих пор плохо осознанный факт, что итоги общественно-трудовой деятельности, как это показывают законы генетики, не могли записываться в генах, они не стали объектом биологической эволюции.

По мнению ряда антропологов, семейство гоминид выделилось задолго до того, как его представители научились изготавливать каменные орудия. Последние данные позволяют считать прародиной человека Африканский материк, где найдены самые древние стоянки первобытного человека. Следовательно, поиски причин трансформации гоминид следует вести в природных особенностях прародины человека.

В Юго-Восточной Африке находятся самые крупные месторождения урановых руд. Большинство стоянок первобытного человека и территории обитания современных человекообразных обезьян расположены там же. Кроме того, юго-восточная зона Африканского материка отличается повышенной вулканической, сейсмической и тектонической деятельностью. Концентрация урановых руд, естественно, означает повышенную радиацию в области расположения месторождений (рис. 1). Очевидно, высокая радиоактивность этой зоны могла повлиять на наследственные свойства обитавших там млекопитающих, в том числе на предков человека.

Рис. 1. Расположение стоянок первобытного человека, урановых месторождений и сейсмических зон на Африканском континенте (по Г. Матюшину): А - область распространения наиболее древних стоянок первобытного человека: 1 - области минимального распространения антропоидов; 2 - предполагаемая область прародины человека; 3 - область обитания шимпанзе; 4 - область обитания гориллы; Б - области основных урано-рудных районов; В - зоны интенсивных тектонических движений (2) и крупных тектонических разломов (1)

В итоге Г. Н. Матюшин приходит к выводу о том, что бурные тектонические процессы: активный вулканизм, интенсивный процесс горообразования, землетрясения и разломы земной коры привели к обнажению урановых руд и повышению местного фона радиации в Восточной и Южной Африке. Повышенный фон радиации вызвал у обитавших там гоминоидов крупные мутации, в результате которых появились прямоходящие предки человека.

В. И. Вернадский отмечал, что заметная концентрация радиоактивных элементов всегда является центром огромных изменений, нарушающих равновесие в окружающей среде. Это предвидение блестяще подтвердилось обнаружением естественного ядерного реактора в Африканском урановом месторождении Окло. Реактор функционировал в важную для биологической эволюции эпоху докембрия (около 6·10⁸ лет назад) - время появления первых одноклеточных, имеющих ядро. Реактор Окло вполне мог оказывать влияние на частоту мутаций одноклеточных, попадающих в зону повышенного уровня радиации.

Изучение биологических эффектов реактора Окло еще не закончено, но предварительные результаты определенно свидетельствуют о более высокой степени эволюции органической материи по мере приближения к реактору.

Сейчас за ураном в таблице Д. И. Менделеева следуют трансурановые элементы, но все же он последний химический элемент, присутствие которого в природе имеет практический смысл.

Подобно живым организмам, он тоже смертен. Профессор Ю. А. Шуколюков подсчитал, что за время существования нашей планеты в земной коре "погибло" в результате радиоактивного распада около 35 млн. т урана, что эквивалентно взрыву 5 млрд. атомных бомб.

Без малого 200 лет уран известен человечеству. С одной стороны, как о ядерном горючем мы знаем о нем все. С другой - еще очень мало.