天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2026年1月13日

铀(U,Z = 92):蕴含能量的元素

铀原子模型与氧化铀晶体模型
Image description: Simplified atomic model of the uranium atom. The most abundant isotope is \(^{238}\mathrm{U}\) with its 92 protons, 92 electrons, and 146 neutrons.
Image source: astronoo.com

铀在宇宙学与地质学中的作用

恒星与超新星中的元素合成

Uranium is an element 比铁更重 and cannot be synthesized by ordinary nuclear fusion in the cores of stars. It is mainly produced during cataclysmic events such as 中子星合并 or 核心坍缩超新星, via the rapid neutron capture process (r-process). The presence of uranium on Earth thus testifies to violent stellar events that occurred before the formation of the solar system.

地质年代学与地球的“自然时钟”

铀衰变为铅的放射性过程是地质学中最重要的定年体系之一。

地球内部热量的来源

The radioactive decay of uranium, thorium, and potassium-40 is a major source of 地球内部的热量. This internal heat drives mantle convection, responsible for 板块构造, volcanism, and the Earth's magnetic field (via the dynamo of the outer core). About half of the Earth's heat flow comes from this radioactivity.

铀的发现与使用历史

名字的词源与起源

The element is named after the planet 天王星, discovered eight years earlier by 威廉·赫歇尔 (1738-1822) in 1781. The German chemist 马丁·海因里希·克拉普罗特 (1743-1817), who isolated uranium oxide in 1789, followed a tradition of naming new elements after celestial bodies. This practice links chemistry to astronomy, as evidenced by other elements:

从发现到放射性

Klaproth believed he had isolated the pure metal, but it was actually an oxide (\( \mathrm{UO_2} \)). The metal was first isolated in 1841 by 欧仁-梅尔基奥尔·佩利戈 (1811-1890). For over a century, uranium was considered a mundane chemical element, used mainly as a yellow or green pigment (铀玻璃, "Vaseline glass" tableware) or as an additive in steels.

The revolution came in 1896 when 亨利·贝克勒尔 (1852-1908) discovered "放射性" while studying uranium salts. This revolutionary property was then studied in depth by 玛丽·居里 (1867-1934) and 皮埃尔·居里 (1859-1906), who discovered polonium and radium in pitchblende, a uranium ore.

核时代:裂变与武器

The discovery of 核裂变 by Otto Hahn, Lise Meitner, and Fritz Strassmann in 1938 changed everything. Physicists understood that the nucleus of uranium-235, when struck by a neutron, could split into lighter nuclei, releasing colossal energy and additional neutrons, allowing a 链式反应.

民用核能

After the war, the focus shifted to the peaceful use of nuclear energy. The first nuclear power plant was connected to the grid in Obninsk (USSR) in 1954. Today, nuclear energy, mainly based on the fission of 铀-235 in light water reactors, provides about 10% of the world's electricity, with very low CO₂ emissions.

存款与产量

铀是地壳中相对丰富的元素(含量约为银的40倍)。主要矿石有:

The main producing countries are Kazakhstan, Canada, Namibia, and Australia. Extraction is done through open-pit mines, underground mines, or 原位浸出 (injection of solutions directly into the deposit).

铀的结构与基本性质

分类与原子结构

Uranium (symbol U, atomic number 92) is an element of the 锕系元素 series. It is a heavy, dense, and radioactive metal. Its atom has 92 protons and, for its most abundant isotope \(^{238}\mathrm{U}\), 146 neutrons. Its electronic configuration is [Rn] 5f³ 6d¹ 7s², although the 5f and 6d electrons are energetically close, leading to variable valence chemistry.

物理和放射性特性

化学反应活性

铀是一种化学性质活泼的金属。

主要特点

Atomic number: 92.
Group: - (Actinide).
Electronic configuration: [Rn] 5f³ 6d¹ 7s².
Main oxidation states: +3, +4, +5, +6.
Most abundant isotope: \(^{238}\mathrm{U}\) (T½ = 4.47×10⁹ years).
Appearance: Silvery-gray, dense metal.

铀同位素表(天然)

铀的天然同位素(基本性质)
同位素 / 符号天然丰度质子(Z)中子(N)半衰期 / 衰变模式备注/应用
铀-234 — \(^{234}\mathrm{U}\)0.0055%921422.455×10⁵ 年(α)\(^{238}\mathrm{U}\)的子体。在天然铀中与其母体处于长期平衡状态。比同等质量的其他同位素更具放射性。
铀-235 — \(^{235}\mathrm{U}\)0.720%921437.04×10⁸ 年(α,自发裂变)唯一天然可裂变同位素. Essential for nuclear reactors and weapons. Enrichment necessary for most applications.
铀-238 — \(^{238}\mathrm{U}\)99.2745%921464.468×10⁹年(α,自发裂变)最丰富的同位素. Fertile: captures a neutron to form plutonium-239 (fissile). Basis of U-Pb dating.

铀的电子排布与电子壳层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

铀有92个电子,分布在七个电子壳层中。其完整电子排布为:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 5f³ 6s² 6p⁶ 6d¹ 7s²。通常简写为 [Rn] 5f³ 6d¹ 7s²,表明价电子位于5f、6d和7s轨道。

壳层的详细结构

K层(n=1): 2 electrons (1s²).
L层(n=2): 8 electrons (2s² 2p⁶).
M层(n=3): 18 electrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N层(n=4): 32 electrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O壳层 (n=5): 21 electrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 5f³).
P壳层(n=6): 9 electrons (6s² 6p⁶ 6d¹).
Q壳层 (n=7): 2 electrons (7s²).

价电子与化学性质

The valence electrons of uranium (5f³ 6d¹ 7s²) give it a 复杂而丰富的化学. It can lose these electrons (and sometimes more internal 5f electrons) to form several oxidation states.

This ability to change oxidation states is crucial for its 核燃料循环 (extraction, conversion, reprocessing) and its 环境行为.

铀的应用

核燃料循环

从矿山到反应堆

  1. 勘探与开采.
  2. 浓缩与纯化: Production of 黄饼 (\( \mathrm{U_3O_8} \)) pure at ~80%.
  3. 转换: Transformation into gaseous uranium hexafluoride (\( \mathrm{UF_6} \)) for enrichment.
  4. 富集: Increase in U-235 content by gaseous diffusion or gas centrifugation.
  5. 燃料制造: Conversion of enriched UF₆ into uranium dioxide powder (\( \mathrm{UO_2} \)), then pressed and sintered into pellets, which are loaded into zirconium alloy tubes (fuel rods).
  6. 用于反应堆: Irradiation for 3 to 5 years, with energy production and fission products.

乏燃料管理

健康、环境与辐射防护

化学与辐射风险

Uranium presents a 双重毒性:

  1. 化学毒性(肾脏): Like other heavy metals, uranium is toxic to the kidneys. The occupational exposure limit is mainly based on this chemical effect, which becomes critical before radiological effects for natural or depleted uranium.
  2. 放射性毒性(致癌性): Due to alpha emissions (and minor gamma/beta emissions from descendants). The main risk is related to 吸入或摄入 of insoluble dust that remains in the body long-term (lungs, bones).

环境管理

辐射防护

处理铀,尤其是浓缩铀,需要采取预防措施:

地缘政治与经济问题

战略资源

未来挑战

前景

Uranium, once an unremarkable element, became in the 20th century the symbol of atomic power, both destructive and civilizing. Its future is intimately linked to that of nuclear energy. Faced with the climate emergency, this low-carbon energy source is experiencing renewed interest, but it must meet the challenges of the 循环经济 (reuse of materials, waste minimization), 绝对安全, and 民主透明度. Whether it remains an energy pillar or is gradually replaced, uranium will remain in history as the element that unleashed the energy of the nucleus, forever changing the destiny of humanity.

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素