解密 「鈾236」

說道鈾，大家腦海中浮現的第一個詞是啥？原子彈，反應堆，輻射，核武器……大家的「恐核」心理可能與從小聽到的居里夫人去世若干年後在她家的門把手上還可以檢測到高劑量放射物，兩彈元勛鄧稼先在進行核試驗時受到輻射患癌去世，美國在日本廣島長崎兩座城市投下原子彈後幾十萬人為此喪命，切爾諾貝利核事故使老鼠變異等一系列的故事有關。可是今天要講述的不是這些大家耳熟能詳的故事，為啥叫做解密「鈾236」，且聽我慢慢道來。

原子彈爆炸(圖片來自網路)

切爾諾貝利核事故(圖片來自網路)

一、236U的來源

二、236U的用途

(圖片來自網路)

看到各種核事故帶來的危害，想必大家對236U已經恨之入骨了。但接下來我要介紹236U的一些用途、用途、用途(是不是心裡會有個What?)。我們可以根據初始鈾同位素的組份、各個同位素的活度，以及它們受到的中子輻照的歷史，計算材料中的236U/238U的比值，從而來推斷鈾污染的來源[4]。舉個例子，切爾諾貝利核事故時釋放的236U/238U約為10-3，而受到全球沉降影響的環境樣品的比值在10-9-10-8之間，因此236U/238U可以作為指紋核素識別放射源[4]。除此之外，它還可以作為熱中子源監測器和計算核燃料消耗的工具，這些用途在核安保領域意義非凡。

(圖片來自網路)

難道就上述這些作用？當然不是！科學家在持續地發掘它的新功能。海洋學家利用海水裡的236U作為示蹤劑進行海洋洋流示蹤研究；核環境學家利用沉積在海底的236U去解讀鐫刻在歷史深處的「風雲」歲月。

珊瑚芯中記錄的

236U/238U比值[5]

三、236U的測量

海洋里

236U/238U 比值[4]

以上說了那麼多優勢，怎麼才能在科研過程中把236U的這些優勢真正發揮出來呢？這就需要對它進行精確測量。就目前已知的數據而言，海洋里的236U/238U算是比較低的，但也不會低於10-12。最初測量236U的方法是利用α譜儀測量它衰變時放出的α的能量。但是這個方法存在兩個問題，一是環境樣品中236U的含量太少，需要大量樣品才行；二是236U的半衰期太長，這就使得測量時耗時太長；此外235U衰變時放射出的α粒子能量與236U的α能量相近，α譜儀的能量解析度不夠，這就影響了該儀器的測量下限。目前使用α譜儀能夠測量到的236U/238U為10-5。

α譜儀測量原理示意圖(圖片來自網路)

既然α譜儀效果不理想，科學家就另闢途徑——利用質譜儀數原子個數。這些年為了測量好236U，科學家也是煞費苦心，先後嘗試了熱表面電離質譜儀（TIMS），電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），加速器質譜儀（AMS）。各種質譜儀為236U發揮更大的作用提供了可能。

質譜儀在測量236U時難道是一帆風順的？答案是否定的。以ICP-MS為例，剛一開始在測量236U時，也遇到了丰度靈敏度不足和多原子離子干擾的障礙。為了克服這些障礙，ICP-MS家族先後降生了多位成員，這些基於扇形磁鐵、六級桿碰撞反應池和多接受技術的儀器使得測量236U/238U的能力被不同程度的提高，最終多接收ICP-MS（MC-ICP-MS）在測量236U/238U時略勝一籌，比值達到3×10-9。

科學永無止境，科學家的腦袋裡千奇百怪的想法轉化為現實後，原來一切看似不可能的東西又一一變為可能。不知道當初在碰撞反應池前再加一個四級桿是不是專門為測量錒系核素設計的，但最終形成的ICP-MS/MS，確實在測量236U時起到了意想不到的效果（236U/238U約為1×10-10，基本原理見示意圖）。

ICP-MS/MS測量236U示意圖[4]

既然ICP-MS表現的那麼優秀，AMS怎麼會遜色！我們知道最初超重核只能在大型核物理實驗室進行測量。自從上個世紀九十年代趙曉雷博士率先利用3MV加速器質譜對236U進行測量後[3]，有條件的實驗室或者改進探測器，或者給自己的儀器增加解析度更大磁鐵，或者改變剝離氣的氣體；沒條件的實驗室也是對儀器優化優化再優化。念念不忘，必有迴響，最終測量236U的AMS端電壓也是各種各樣：13MV、6MV、3MV、1MV和0.6MV，最終各家實驗室也取得了不俗成果(見下表)。

各類質譜儀及其（236U/238U）丰度靈敏度[4]

四、結束語

我們的文字終歸有限，不能詳細的記錄236U的每一個部分（本文中沒有涉及到關於鈾的化學前處理的故事，我想這部分工作交給專業人士才會有更精彩的呈現），也不能把世界上科學家為之而做的努力統統表達出來（水平實在有限，沒介紹TIMS的內容）。但是我們相信關於236U的故事還在繼續著，無論是化學上，測量上還是應用上，也許不久的明天就會有新的突破，新的發現，讓我們拭目以待。

來源：中國科學院地球環境研究所

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