Neptunium

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Neptunium
 

93
Np
 
        
        
                  
                  
                                
                                
  

uraniu ← neptuniu → plutoniu

Aspect
Aspectul elementului
Sferă 237 Np ( 6 kg ) la Laboratorul Național Los Alamos
Generalitate
Numele, simbolul, numărul atomic neptuniu, Np, 93
Serie actinoizi
Group , perioada , bloc - (3) [1] , 7 , f
Densitate 18,0-20,45 g / cm³ [2] [3]
Configurare electronică
Configurare electronică
Termen spectroscopic 6 L 11/2
Proprietăți atomice
Greutate atomica 237.0482 u
Raza atomică (calc.) 155 pm
Raza covalentă 190 ± 1 pm
Configurare electronică [ Rn ] 7s 2 6d 1 5f 4
și - pentru nivelul de energie 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Stări de oxidare 6, 5 , 4, 3 ( amfoteric )
Structură cristalină ortorombic , tetragonal , cubic
Proprietăți fizice
Stare a materiei solid ( paramagnetic )
Punct de fuziune 910 K (637 ° C )
Punct de fierbere 4 273 K (4 000 ° C)
Volumul molar 1,159 × 10 −5 / mol
Entalpia vaporizării 336 kJ / mol
Căldura de fuziune 5,19 kJ / mol
Alte proprietăți
numar CAS 7439-99-8
Electronegativitate 1.36 ( scară Pauling )
Conductibilitate electrică 8,22 × 10 −5 / m Ω
Conductivitate termică 6,3 W / (m K)
Energia primei ionizări 604,5 kJ / mol
Izotopi mai stabili
iso N / A TD DM DE DP
235 Np sintetic 369,1 zile α
ε
5.192
0,124
231 Pa
235 U
236 Np sintetic 1,54 × 10 5 ani ε
β -
α
0,940
0,940
5.020
236 U
236 Pu
232 Pa
237 Np urme 2.144 × 10 6 ani [4] α
fix
4.959
233 Pa
239 Np sintetic 2.355 zile [4] β - 239 Pu
ISO: izotop
NA: abundență în natură
TD: timp de înjumătățire
DM: modul de descompunere
DE: energia de descompunere în MeV
DP: produs de descompunere

Neptunul este un element chimic cu număr atomic 93 și simbolul său este Np . Este un element transuranic inclus în seria actinoidă de pe tabelul periodic . [4] Are 19 izotopi , toți instabili [4] și este prezentat, în stare solidă, în 3 forme alotrope . Izotopul său mai stabil ( 237 Np) este un produs secundar de reacție în reactoarele nucleare [5] și este utilizat în construcția detectoarelor de neutroni . Acesta este prezent în cantități infime în uraniu minereuri . [6]

Istorie

Neptunul aparține seriei actinoide și a fost primul element transuranic care a fost sintetizat în laborator. A fost descoperit și botezat „neptuniu” (de pe planeta Neptun , prin analogie cu uraniul) de Edwin McMillan și Philip Hauge Abelson , în 1940 , în cadrul Laboratorului de radiații (din 1959 , Laboratorul Național Lawrence Berkeley ) al Universității din Berkeley din California . Cei doi fizicieni au sintetizat izotopul 239 Np (cu un timp de înjumătățire de 2,3 zile) într-un ciclotron prin bombardarea uraniului cu neutroni lent (adică cu <1 eV [7] ). [8] [9] [10]

Înainte de această dată, cel puțin trei anunțuri despre descoperirea elementului 93 sunt menționate în literatură - cu numele de ausonio ( Enrico Fermi și alii ), de boem în 1934 și de sequanio în 1939 - toate refuzate prin verificări ulterioare. [11] [12]

Caracteristici

La starea solidă , neptuniul arată ca o culoare metalică argintie , destul de reactivă și disponibilă în trei forme alotrope [6] [10] :

  • α-neptuniu: ortorombic cu densitate 20,25 g / cm³ (20 250 kg / m³).
  • β-neptuniu (peste 280 ° C), tetragonal cu densitate 19,36 g / cm³ (19 360 kg / m³) la 313 ° C.
  • γ-neptuniu (peste 577 ° C), cubic cu densitate de 18 g / cm³ (18 000 kg / m³) la 600 ° C.

Disponibilitate

Urmele de neptuniu sunt prezente în mod natural în mineralele de uraniu ca produs de dezintegrare radioactivă de 237 U. Izotopul 237 Np poate fi sintetizat prin reducerea NpF 3 cu vapori de bariu sau litiu la aproximativ 1 200 ° C [6] , dar obținut în principal ca subprodus de reacție din combustibilul nuclear uzat și / sau în timpul producției de plutoniu . 237 Np este produs și prin decăderea alfa de 241 Am . [13]

Odată cu captarea unui neutron termic , un atom de 235 U intră în starea excitată de 236 m U, un izomer metastabil cu un timp de înjumătățire de 1 × 10 −12 s . [14] Excluzând atomii care se descompun din nou în 235 U datorită reacțiilor de împrăștiere elastice și inelastice , aproximativ 84% din nucleii excitați suferă fisiune , în timp ce restul de 16% se descompune la starea de bază de 236 U, producând 6,46 MeV sub formă de radiații gamma . [15] [16] [17]

Captarea ulterioară a neutronilor produce 237 U, care are un timp de înjumătățire de 7 zile și se descompune rapid la 237 Np.

237 U este produs și de o reacție ( n , 2n) cu 238 U (dar numai dacă neutronii au energie mare).

Izotopi

Există 19 radioizotopi de neptuniu, dintre care cei mai stabili sunt 237 Np cu un timp de înjumătățire de 2,14 milioane de ani , 236 Np cu un timp de înjumătățire de 154.000 de ani și 235 Np cu un timp de înjumătățire de 396,1 zile. Toți ceilalți izotopi radioactivi au timp de înjumătățire mai mic de 5 zile și, în cea mai mare parte, mai puțin de 1 oră. Acest element are, de asemenea, 4 stări metastabile , dintre care cea mai stabilă este de 236m Np (t ½ 22,5 ore). [18] [19]

Izotopii neptuniului au o greutate atomică variind între 225,034 u ( 225 Np) și 244,068 u ( 244 Np). Modul principal de dezintegrare înainte de izotopul mai stabil ( 237 Np) este captarea electronilor (cu descompunere alfa semnificativă), în timp ce cel mai comun după izotopul mai stabil este decăderea beta . Produsele de dezintegrare înainte de 237 Np sunt izotopi de uraniu (în timp ce dezintegrarea alfa produce izotopi de protactiniu ) și principalele produse după aceasta sunt izotopii de plutoniu . [18] [19]

Radionuclid Z ( p ) N ( n )
Masă (u)
jumătate de viață rotire nucleară
energie de excitație
225 Np 93 132 225.03391 (8) 3 # ms [> 2 µs] 9 / 2− #
226 Np 93 133 226,03515 (10) # 35 (10) ms
227 Np 93 134 227.03496 (8) 510 (60) ms 5 / 2− #
228 Np 93 135 228.03618 (21) # 61.4 (14) s
229 Np 93 136 229.03626 (9) 4,0 (2) min 5/2 + #
230 Np 93 137 230.03783 (6) 4,6 (3) min
231 Np 93 138 231,03825 (5) 48,8 (2) min (5/2) (+ #)
232 Np 93 139 232,04011 (11) # 14,7 (3) min (4+)
233 Np 93 140 233,04074 (5) 36,2 (1) min (5/2 +)
234 Np 93 141 234.042895 (9) 4.4 (1) d (0+)
235 Np 93 142 235.0440633 (21) 396,1 (12) d 5/2 +
236 Np 93 143 236.04657 (5) 154 (6) × 10 3 in (6−)
236m Np 60 (50) keV 22,5 (4) h 1
237 Np 93 144 237.0481734 (20) 2.144 (7) × 10 6 in 5/2 +
238 Np 93 145 238.0509464 (20) 2.117 (2) g 2+
238m Np 2300 (200) # keV 112 (39) ns
239 Np 93 146 239.0529390 (22) 2.356 (3) d 5/2 +
240 Np 93 147 240.056162 (16) 61,9 (2) min (5+)
240m Np 20 (15) keV 7,22 (2) min 1 (+)
241 Np 93 148 241,05825 (8) 13,9 (2) min (5/2 +)
242 Np 93 149 242.06164 (21) 2,2 (2) min (1+)
242m Np 0 (50) # keV 5,5 (1) min 6 + #
243 Np 93 150 243,06428 (3) # 1,85 (15) min (5 / 2−)
244 Np 93 151 244,06785 (32) # 2,29 (16) min (7−)

Compuși

Are diferite stări de oxidare , dintre care cele mai mari sunt cele obținute în soluție apoasă [10] sub formă de Np 3+ (de culoare purpurie similară cu ionul Pm 3+ ) care produce, prin oxidare în aer, Np 4+ ( verde-galben ) și, ulterior, NpO 2+ 2 ( roz pal ). [20] O altă stare de oxidare cunoscută este NpO + 2 (verde albăstrui în soluție apoasă ) obținut prin oxidarea Np 4+ cu acid azotic fierbinte. [20] [21]

Compușii principali ai neptuniului sunt halogenurile Np F 6 ( portocaliu ), NpF 4 ( verde ), NpF 3 (violet-negru), Np Cl 4 (roșu-maro), Np Cl 3 ( alb ), Np Br 4 (roșu) -bron), Np Br 3 (verde), Np I 3 ( maro ) și oxizii Np 3 O 8 și NpO 2 . [10] [20]

Poluarea cu 237 Np pe termen lung

Izotopii mai grei ai neptuniului se descompun rapid, în timp ce cei mai ușori nu pot fi produși prin captarea neutronilor; în consecință, separarea chimică a neptuniului de combustibilul nuclear uzat produce în mod substanțial doar 237 Np. Din acest motiv - și datorită relevanței sale scăzute ca produs al degradării naturale a zăcămintelor minerale de uraniu - acest radionuclid de neptuniu este potrivit ca indicator al poluării pe termen lung asociată cu activitățile nucleare umane . [22] [23]

Ca și celelalte trei produse de fisiune ( 99 Tc , 129 I și 234 U), radioizotopul 237 Np are un timp de înjumătățire foarte lung [24] , este ușor solubil în apă și este slab absorbit de minerale. Emisia radioactivă, ar putea reprezenta, pe termen lung (> 10 000 de ani de la depozitare) datorită acumulării progresive și mobilității ridicate [25] , cel mai semnificativ agent de poluare radioactivă pentru apele subterane și bazinele hidrografice proximale depozitelor de zgură dacă acestea din urmă se deteriorează. [26] [27] [28]

Aplicații

237 Np este utilizat în construcția dozimetrelor de neutroni cu energie mare și rapidă [29] , de asemenea pentru uz personal [30] , în spitale și în domeniile industriale. [31] Același radioizotop al neptuniului este, de asemenea, un produs de degradare al americiului prezent în detectoarele de fum de ionizare . [32]

Iradierea cu neutroni de 237 Np are originea a 238 Pu, care este o sursă de particule α pentru generatoarele termoelectrice de radioizotopi (RTG) utilizate în principal în domeniul explorării spațiului . 237 Np captează un neutron pentru a forma 238 Np care se descompune - prin emisia beta după câteva zile - în 238 Pu. [33]

Neptunium este fisionabil și ar putea fi utilizat teoretic drept combustibil în reactoarele cu neutroni rapizi sau arme nucleare . [34] În 1992 , Departamentul pentru Energie al SUA a declasificat un document care preciza că 237 Np ar putea fi utilizat în construcția armelor nucleare. [35] În septembrie 2002 , cercetătorii de la Universitatea din California au creat prima masă critică de neptuniu la Laboratorul Național Los Alamos folosind, pentru experimente, o sferă de 6 kg de 237 Np înconjurată de o coajă de uraniu . Rezultatele experimentelor au arătat că masa critică este inclusă în jurul valorii de i 58-60 kg . [3]

Notă

  1. ^ (RO) Tabel periodic al elementelor , pe Iupac.org. Adus la 3 aprilie 2010 (arhivat din original la 6 septembrie 2005) .
  2. ^ Conform formelor alotropice (sursă: ( EN ) KW Bagnall, The actinide elements , New York, 1973. Citat în Encyclopedia of Science and Technology , IX, Mondadori, 1980, p. 75.
  3. ^ a b ( EN ) Rene Sanchez, David Loaiza, Robert Kimpland, David Hayes, Charlene Cappiello și Mark Chadwick, Criticality of a 237Np Sphere ( PDF ), Los Alamos National Laboratory (arhivat din original la 6 ianuarie 2013) .
  4. ^ a b c d ( EN ) Greutățile atomice ale elementelor 2001 ( PDF ), iupac.org , IUPAC , 2001.
  5. ^ Separat Neptunium 237 și Americium ( PDF ), pe isis-online.org . Adus la 6 iunie 2009 .
  6. ^ a b c CR Hammond, Elementele, în Manualul de chimie și fizică ediția a 81-a , presa CRC, 2004, ISBN 0-8493-0485-7 .
  7. ^ André Michaudon, From Alchemy to Atoms - The making of Plutonium ( PDF ), în Los Alamos Science , n. 26, 2000, p. 65 (pentru definirea neutronului lent) și p. 70 (pentru descoperirea Neptuniului).
  8. ^ A. Westgren, Premiul Nobel pentru chimie 1951 - Discurs de prezentare , pe nobelprize.org , Academia Regală de Științe din Suedia , 1951.
  9. ^ Mcmillan, Edwin, Element radioactiv 93 , în Physical Review , vol. 57, 1940, p. 1185, DOI : 10.1103 / PhysRev.57.1185.2 .
  10. ^ a b c d Bagnall KW, The actinide elements , New York 1973. Citat în Encyclopedia of Science and Technology , Mondadori, 1980, vol IX p. 75.
  11. ^ (EN) Enrico Fermi , Radioactivitate artificială produsă de bombardamentul cu neutroni (PDF), Conferința Nobel, 12 decembrie 1938.
  12. ^ (EN) Peter van der Krogt, Neptunium , în Elementymology & Elements Multidict, 2010.
  13. ^ ( EN ) G. Ardisson și alii , niveluri ridicate de energie 237Np de la 241Am (T1 / 2 = 431 y) alfa-decay [ legătură întreruptă ] , în Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry , vol. 250, n. 1, octombrie 2001.
  14. ^ (EN) 104 General Physics - Lecture 28 - Fall 2007 (PDF), pe tycho.physics.wisc.edu, University of Wisconsin-Madison , toamna 2007. Accesat la 18 mai 2010 (depus de „url original la 12 iunie 2010) ) .
  15. ^ Capitolul 4 Fizica nucleară: fizică, energie, aplicații ( PDF ), pe personalpages.to.infn.it . Fișă pentru cursul aplicațiilor tehnicilor de fizică nucleară de la Institutul Național de Fizică Nucleară .
  16. ^ Enciclopedia științei și tehnologiei , VI, Mondadori, 1980, p. 139.
  17. ^ WN Cottingham și DA Greenwood, O introducere la fizica nucleară , Cambridge University Press, 2001, p. 116 (în special pentru procentele referitoare la secțiuni transversale și captură).
  18. ^ A b (EN) Kenneth L Barbalace, Neptunium , pe EnvironmentalChemistry.com, 2010.
  19. ^ A b (EN) Elemente radioactive - Tabel de nuclizi - Neptunium , pe kayelaby.npl.co.uk. Adus la 18 mai 2010 (arhivat din original la 22 septembrie 2017) . În (EN) Kaye și Laby Table of nuclides, ediția a 16-a, Laboratorul Național de Fizică , 2010.
  20. ^ a b c ( EN ) Lea B. Zinner și Geraldo Vicentini, Neptunium , în Chemistry Encyclopedia , Advameg, 2010.
  21. ^ Rita Cornelis, Joe Caruso, Helen Crews și Klaus Heumann, Handbook of elemental speciation II , Wiley, Chichester, 2005, p. 535.
  22. ^ TM Beasley, PR Dixon și LJ Mann, 99Tc, 236U și 237Np în acviferul Snake River Plain la Laboratorul Național de Inginerie și Mediu Idaho, Idaho Falls, Idaho , în Știința și tehnologia mediului , 1998, 32 (24), pp. . 3875–3881.
  23. ^ Andrew S. Hursthouse, Murdoch S. Baxter, Francis R. Livensb și Henry J. Duncanc, Transferul sellafield-derivat 237Np în și în mediul terestru , în Journal of Environmental Radioactivity , 14, numărul 2, 1991, pp. 147-174. Legat de analiza probelor de sol contaminate de uzina nucleară Sellafield .
  24. ^ Produsele de fisiune de lungă durată (LLFP) sunt produse de descompunere cu timp de înjumătățire de peste 200.000 de ani. În ceea ce privește radionuclizii menționați, 99 Tc are un timp de înjumătățire de 211.000 de ani, 234 U de 246.000 de ani, 237 Np de 2.144 milioane de ani și 129 I de 15.7 milioane de ani.
  25. ^ 237 Np este cel mai mobil actinoid dintre cei prezenți în depozitele nucleare situate în câmpuri geologice profunde (Roger Eckard, Muntele Yucca - Privind zece mii de ani în viitor , Laboratorul Național Los Alamos, 2005).
  26. ^ (EN) RJ Finch, A Structural Study of Neptunium-Bearing Uranium Oxides , American Geophysical Union, Spring Meeting, 2002. Rezumat # M51A-09.
  27. ^ (RO) Roger Eckhard, Muntele Yucca - Privind zece mii de ani în viitor , pe ees.lanl.gov, Laboratorul Național Los Alamos , iulie 2005. Accesat la 19 mai 2010 (depus de „Original url 18 octombrie 2011) .
  28. ^ (EN) Lynn Yarris, Getting Neptunium out of Nuclear Waste in News Center, Laboratorul Național Lawrence Berkeley, 29 noiembrie 2005.
  29. ^ Neutronii rapizi sunt neutroni cu energie inițială între 100 keV și câteva zeci de MeV; cei cu energie mai mare de 100 MeV sunt considerați cu energie ridicată .
  30. ^ (EN) Sohrabia M. și K. Becker, Personal de monitorizare rapidă a neutronilor prin înregistrarea fragmentelor de fisiune de la 237Np, în Nuclear Instruments and Methods, 148, Ediția 3, 1 februarie 1978 pp. 511-520.
  31. ^(EN)

    „Foliile de fisiune sunt utilizate în mod obișnuit ca senzori de dozimetrie. […] 235 U, 238 U, 239 Pu și 237 Np sunt cele mai frecvent utilizate materiale de dosimetrie fisionabile / fisibile. [...] 237 Np este cel mai important pentru ajustarea spectrului, deoarece oferă o parte semnificativă a răspunsului său în Regiunea de la 100 keV la 1 MeV, unde puțini alți senzori de dozimetrie sunt practici. "

    În: ( EN ) PJ Griffin et alii , Factori care afectează utilizarea foliilor de fisiune ca senzori de dozimetrie - Introducere ( PDF ), su osti.gov , Sandia National Laboratories.
  32. ^ (RO) Detectoare de fum și foaie informativă despre americium-241 (PDF) pe cns-snc.ca, Canadian Nuclear Society, octombrie 2008.
  33. ^ Lange, R, Revizuirea progreselor recente ale sistemelor de putere radioizotopice , în Conversia și gestionarea energiei , vol. 49, 2008, pp. 393–401, DOI : 10.1016 / j.enconman.2007.10.028 .
  34. ^ P. Weiss, Metalul puțin studiat devine critic - Neptunium Nukes? , la findarticles.com , Science News , 26 octombrie 2002. Adus 19 mai 2010 .
  35. ^ (EN) Decizii de declasificare a datelor restricționate din 1946 până în prezent pe fas.org, Departamentul Energiei din Statele Unite ale Americii, 1 ianuarie 2001.

Bibliografie

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85090879 · GND (DE) 4171471-4
Chimie Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei