鈾的宇宙起源

最近，伊朗提高濃縮鈾豐度的新聞再次成為焦點，不管是提高了濃縮鈾產量還是增加了庫存，鈾一直都是全世界的重點關注對象，那么關于鈾，你了解多少呢？

（豐度即為該元素在自然體中的豐度abundance of elements，是指一種化學元素在某個自然體中的重量占這個自然體總重量的相對份額（如百分數），豐度表示方法主要分為重量豐度、原子豐度和相對豐度）

伊朗核問題一直是世界關注的焦點

自居里夫人發現并分離出鐳元素后激發了人們對鈾礦進行開采，將提取出的鐳制成螢光油漆，用于鐘表和飛機儀表盤上，由于要處理3噸鈾礦才能提取出1克鐳，這產生了大量的含鈾副產品

這些副產品都被用在瓷器上色上，使得瓷器的價格大大降低，除了這些用途以外，鈾還被用在瓦片中，可制成紅、藍、綠、黃、紫紅、黑等多種顏色

一個多世紀以來，地質學家和地球化學家一直在研究鈾同位素的豐度、分布，他們的工作起源于Klaproth在1789年發現的元素—鈾

Becquerel在1896年證明了鈾鹽具有放射性，Boltwood在1905年得出結論：鉛和氦都是鈾的衰變產物，以及Rutherford在1906年提出的放射性地質計時潛力的概念，從地球化學的角度來看，一些主要問題是：現在地球上的鈾是從哪里來的？地球上相對微不足道的鈾含量對地球的演化有什么影響？

宇宙中的元素豐度

自20世紀30年代以來的許多年里，科學家們一直致力于確定組成太陽系的物體中元素及其同位素的豐度，并解釋觀測到的豐度模式

地球的地殼元素豐度列表

事實上，光譜測量表明，恒星中元素的豐度各不相同，也沒有單一適用的“宇宙豐度”模式，在太陽系中圍繞元素以氫氦為主的太陽運行的各種行星中元素的豐度存在很大差異

包括地球在內的類地行星地殼中主要以氧、硅、鋁和鐵元素為主，相較于這些元素，鈾（在太陽中的鈾豐度只有氫的10^(-12)）是一種極其罕見的元素

地殼元素含量前8

此外，對隕石中氧同位素的測量表明，整個太陽系的同位素比例并不均勻，所有這些變化都指向一個結論，即原太陽系物質的產生涉及多個來源

地球上的鈾是怎么來的

宇宙化學家不僅關注星系元素豐度的分布模式和長期演變趨勢，還關注特定恒星豐度異常的起源以及不同原子核合成的理論來解釋這些觀測結果

根據這些理論，地球的鈾是在一顆或多顆超新星爆炸中產生的（有關的主要過程是以高于通過放射性分解的速率快速捕獲籽核上的中子）

超新星爆炸

所需的中子通量被認為發生在超新星爆炸期間，鐵的引力壓縮(核穩定性島，不能進行進一步的放熱聚變反應)和一顆大質量恒星中心的突然坍塌，觸發了這顆恒星的大部分爆炸，其產生了大量中子噴射到太空中

最近，第二個理論提出鈾是在兩顆中子星合并時產生的，中子星的密度非常高，一勺中子星材料的質量約為50億噸，當兩個這樣的物體靠近時，強大的引力會使它們劇烈地融合，釋放出引力波并產生大量的重元素，如金、鉑和鈾

中子星是除黑洞外密度最大的星體

因此，我們知道地球的鈾是通過一個或多個這樣的過程產生的，而這種物質是由地球所屬的太陽系產生的，我們可能會進一步問，鈾的合成發生在多久以前

鑒于今天在組成我們星球的不同球層中U-235和U-238的豐度、了解這些同位素的半衰期，以及地球的年齡（約45.5億年）——從各種放射性“時鐘”中測定，包括鈾到鉛衰變鏈的時間來看

鈾的衰變過程

我們可以計算地球形成時U-235和U-238的豐度，進一步了解到超新星中U-235和U-238的生產比約為1.65，從而可以得出，如果太陽系中所有的鈾都是在一個超新星中生產的，那么這一事件就是發生在65億年前

然而，這種“單一階段”過于簡單化了，實際情況是60多億年前到2億年前的多個超新星都參與了鈾的合成

此外，對隕石中的硅和碳等元素同位素豐度的研究表明，太陽系物質的形成涉及到十多個不同的恒星源，因此，太陽系形成時U-235和U-238的相對豐度計算不能簡單假設為“單一階段”模型，而且這樣還無法反映許多前體恒星爆炸碎片的影響

在地殼中富集

科學家對大陸和海洋地殼的巖石中的鈾以及地球地幔樣品進行了許多分析，其中對于這些地球的地殼和上地幔的測量是可靠的，但對下地幔、外核和內核中鈾的豐度的測量則是心有余而力不足

雖然隕石中鈾的平均豐度約為0.008ppm，但地球“原始地幔”中的鈾豐度——在提取大陸地殼之前——為0.021 ppm

考慮到在不含鈾的情況下提取形成核心的鐵鎳合金（由于鈾的特性，使其更容易與地殼巖石中的礦物結合，而不是與富含鐵的巖石結合），這仍然代表著與一般的隕石物質相比在形成原始地球的物質的時候有大約兩倍的濃縮

稀土氧化鈾

現今暴露在海底的“貧化”地幔中鈾的豐度約為0.004ppm，另一方面，大陸地殼的鈾含量相對較高，約為1.4ppm，與原始地幔相比，這代表著成倍成倍的的富集，實際情況也是從“貧化”的大洋地幔中損失的鈾大部分被封閉在大陸地殼中

鈾從地幔轉移到大陸地殼的過程很可能是復雜且步驟繁多，洋殼和巖石圈的形成是通過洋中脊的地幔的熔融而形成的，該大洋巖石圈橫向遷移到板塊消耗點（其表面由深海海溝標記）

從這些俯沖帶的下行（俯沖）巖石圈板塊和覆蓋地幔“楔”中產生的流體和巖漿，將這些液體熔化物轉移到“島弧”區域（如太平洋火圈）的表面，通過重熔、花崗巖形成和地殼內部循環，從這些島弧原巖中生產大陸地殼

在整個地殼形成過程中，鈾的親巖性表現為鉀鈾比在橄欖巖和花崗巖等巖石中穩定在10000左右，因為我們想追蹤鈾在地球上的分布，鉛的豐度和同位素特征——鈾235和鈾238的放射性子元素就成為了有用的參數

鉛的揮發性和與鐵結合的趨勢很可能解釋了其豐度的差異，在陸地吸積和巖心分離過程中，鉛會丟失，當然，這些高比率的結果之一是，與隕石或地核相比，地殼和地幔中的pb-207/pb-204和pb-206/pb-204的放射性/非放射性含量相對較高

對于大陸地殼給出的數字是整個地殼的平均值，當然，鈾的局部濃度可能遠遠超過這些值，在某些花崗巖中，高達50 ppm，在礦床中則又會高出許多

鈾隨時間的分布

光合作用可以追溯到大約38億年前，有一段時間，釋放的氧氣是通過地球表面還原鐵化合物而消耗掉的，最終，大約25億年前，氧以游離氧的形式開始在大氣中積累

除了許多其他影響外，外逸層氧化還原特性的變化導致鈾在風化侵蝕沉積循環中的轉移方式發生了根本性變化，而在還原條件下，鈾是相對不溶的和穩定的鈾鐵礦（UO2），在氧化條件下，鈾變成可溶的（U6+）并易于轉移，自25億年前以來，鈾礦床主要形成于含鈾流體減少的地方，例如通過細菌或與石墨頁巖接觸

氧化的大氣也導致了鈾在海洋中的濃度增加，然后通過循環熱液中的運輸到海洋地殼中的相對富集，通過大洋巖石圈的俯沖和隨后巖石圈的再同化作用，從外逸層到地球內部的鈾輸送增強，對目前地球上鈾的分布產生了重大影響，并可能解釋了一些奇怪的地幔同位素特征的不一致

最后

水能載舟亦能覆舟，鈾能作為核燃料也能作為殺人的武器，就看使用者如何使用