Нептуний ( 93 Np) обычно считается искусственным элементом , хотя следовые количества встречаются в природе, поэтому невозможно указать стандартный атомный вес . Как и все следовые или искусственные элементы, в нем нет стабильных изотопов . Первый изотоп быть синтезированы и идентифицирован был 239 Np в 1940 году, производится путем бомбардировки 238 U с нейтронами , чтобы произвести 239 U, который затем подвергают бета - распад до 239 Np.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В природе следовые количества обнаруживаются в реакциях захвата нейтронов атомами урана , но этот факт не был обнаружен до 1951 г. [1]
Было охарактеризовано двадцать пять радиоизотопов нептуния , наиболее стабильным из которых является237
Np
с периодом полураспада 2,14 миллиона лет,236
Np
с периодом полураспада 154000 лет, и 235
Np
с периодом полураспада 396,1 суток. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,5 суток, а у большинства из них период полураспада менее 50 минут. Этот элемент также имеет 4 мета-состояния , наиболее стабильным из которых является236 кв.м.
Np
(t 1/2 22,5 часа).
Изотопы нептуния варьируются от 219
Np
к 244
Np
, хотя промежуточный изотоп 221
Np
пока не наблюдалось. Первичная мода распада перед наиболее стабильным изотопом,237
Np
, является захватом электронов (с большой долей альфа-излучения ), а основная мода после этого - бета-излучением . Первичные продукты распада перед237
Np
являются изотопами урана и протактиния , а первичными продуктами после них являются изотопы плутония . Уран-237 и нептуний-239 считаются ведущими опасными радиоизотопами в первый еженедельный период после ядерных осадков в результате ядерного взрыва, причем 239 Np доминируют «в спектре в течение нескольких дней». [2] [3]
Список изотопов
Нуклид [n 1] | Z | N | Изотопная масса( Да ) [4] [n 2] [n 3] | Период полураспада | Режим распада [n 4] | Дочерний изотоп [n 5] | Спин и четность [n 6] [n 7] | Изотопное изобилие |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Энергия возбуждения [n 7] | ||||||||
219 Np [5] | 93 | 126 | 219.03162 (9) | 0,15 (+ 0,72-0,07) мс | α | 215 Па | (9 / 2-) | |
220 Np [6] | 93 | 127 | 220.03254 (21) # | 25 (+ 14-7) мкс | α | 216 Па | 1- # | |
222 Np [7] | 93 | 129 | 380 (+ 260-110) нс | α | 218 Па | 1- # | ||
223 Np [8] | 93 | 130 | 223.03285 (21) # | 2,15 (+ 100-52) мкс | α | 219 Па | 9 / 2- | |
224 Np [9] | 93 | 131 | 224.03422 (21) # | 38 (+ 26-11) мкс | α (83%) | 220 мл Па | 1- # | |
α (17%) | 220 м2 Па | |||||||
225 Np | 93 | 132 | 225.03391 (8) | 6 (5) мс | α | 221 Па | 9 / 2- # | |
226 Np | 93 | 133 | 226.03515 (10) # | 35 (10) мс | α | 222 Па | ||
227 Np | 93 | 134 | 227.03496 (8) | 510 (60) мс | α (99,95%) | 223 Па | 5 / 2- # | |
β + (0,05%) | 227 U | |||||||
228 Np | 93 | 135 | 228.03618 (21) # | 61,4 (14) с | β + (59%) | 228 U | ||
α (41%) | 224 Па | |||||||
β + , SF (0,012%) | (разные) | |||||||
229 Np | 93 | 136 | 229.03626 (9) | 4,0 (2) мин | α (51%) | 225 Па | 5/2 + # | |
β + (49%) | 229 U | |||||||
230 Np | 93 | 137 | 230.03783 (6) | 4,6 (3) мин | β + (97%) | 230 U | ||
α (3%) | 226 Па | |||||||
231 Np | 93 | 138 | 231.03825 (5) | 48,8 (2) мин | β + (98%) | 231 U | (5/2) (+ #) | |
α (2%) | 227 Па | |||||||
232 Np | 93 | 139 | 232.04011 (11) # | 14,7 (3) мин | β + (99,99%) | 232 U | (4+) | |
α (0,003%) | 228 Па | |||||||
233 Np | 93 | 140 | 233.04074 (5) | 36,2 (1) мин | β + (99,99%) | 233 U | (5/2 +) | |
α (0,001%) | 229 Па | |||||||
234 Np | 93 | 141 | 234,042895 (9) | 4,4 (1) г | β + | 234 U | (0+) | |
235 Np | 93 | 142 | 235.0440633 (21) | 396,1 (12) сут | EC | 235 U | 5/2 + | |
α (0,0026%) | 231 Па | |||||||
236 Np [n 8] | 93 | 143 | 236,04657 (5) | 1.54 (6) × 10 5 лет | ЭК (87,3%) | 236 U | (6-) | |
β - (12,5%) | 236 Pu | |||||||
α (0,16%) | 232 Па | |||||||
236 кв.м. Np | 60 (50) кэВ | 22,5 (4) ч | ЭК (52%) | 236 U | 1 | |||
β - (48%) | 236 Pu | |||||||
237 Np [n 8] [n 9] | 93 | 144 | 237.0481734 (20) | 2,144 (7) × 10 6 лет | α | 233 Па | 5/2 + | След [n 10] |
SF (2 × 10 −10 %) | (разные) | |||||||
КД (4 × 10 −12 %) | 207 тл 30 мг | |||||||
238 Np | 93 | 145 | 238.0509464 (20) | 2,117 (2) д | β - | 238 Pu | 2+ | |
238 кв.м. Np | 2300 (200) # кэВ | 112 (39) нс | ||||||
239 Np | 93 | 146 | 239.0529390 (22) | 2,356 (3) сут | β - | 239 Pu | 5/2 + | След [n 10] |
240 Np | 93 | 147 | 240.056162 (16) | 61,9 (2) мин | β - | 240 Pu | (5+) | След [n 11] |
240 кв.м. Np | 20 (15) кэВ | 7,22 (2) мин | β - (99,89%) | 240 Pu | 1 (+) | |||
ИТ (0,11%) | 240 Нп | |||||||
241 Np | 93 | 148 | 241.05825 (8) | 13,9 (2) мин | β - | 241 Pu | (5/2 +) | |
242 Np | 93 | 149 | 242.06164 (21) | 2,2 (2) мин | β - | 242 Pu | (1+) | |
242 кв.м. Np | 0 (50) # кэВ | 5,5 (1) мин | 6 + # | |||||
243 Np | 93 | 150 | 243.06428 (3) # | 1,85 (15) мин | β - | 243 Pu | (5 / 2-) | |
244 Np | 93 | 151 | 244.06785 (32) # | 2,29 (16) мин | β - | 244 Pu | (7-) |
- ^ m Np - Возбужденный ядерный изомер .
- ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
- ^ # - Атомная масса с пометкой #: значение и погрешность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций, полученных с помощью массовой поверхности (TMS).
- ^ Режимы распада:
CD: Распад кластера EC: Электронный захват ЭТО: Изомерный переход SF: Самопроизвольное деление - ^ Дочерний символ выделен жирным курсивом - Дочерний продукт почти стабилен.
- ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
- ^ a b # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
- ^ a b Делящийся нуклид
- ^ Самый распространенный нуклид
- ^ a b Производится при захвате нейтронов в урановой руде
- ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu
Актиниды против продуктов деления
Актиниды и продукты деления по периоду полураспада | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Актиниды [10] по цепочке распада | Период полураспада ( а ) | Продукты деления из 235 U по доходности [11] | ||||||
4 п | 4 п +1 | 4 п +2 | 4 п +3 | |||||
4,5–7% | 0,04–1,25% | <0,001% | ||||||
228 Ра№ | 4–6 а | † | 155 Euþ | |||||
244 смƒ | 241 Puƒ | 250 КФ | 227 Ас№ | 10–29 а | 90 Sr | 85 кр | 113м кдþ | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 смƒ | 29–97 а | 137 Cs | 151 смþ | 121 м Sn | ||
248 кн [12] | 249 Cfƒ | 242m Amƒ | 141–351 а | Никакие продукты деления не | ||||
241 Amƒ | 251 Cfƒ [13] | 430–900 а | ||||||
226 Ra№ | 247 Bk | 1,3–1,6 тыс. Лет | ||||||
240 Pu | 229 Чт | 246 смƒ | 243 Amƒ | 4,7–7,4 тыс. Лет назад | ||||
245 смƒ | 250 см | 8,3–8,5 тыс. Лет | ||||||
239 Puƒ | 24,1 тыс. Лет назад | |||||||
230 Чт№ | 231 Па№ | 32–76 тыс. Лет назад | ||||||
236 Npƒ | 233 Uƒ | 234 У№ | 150–250 тыс. Лет назад | ‡ | 99 Tc₡ | 126 Sn | ||
248 см | 242 Pu | 327–375 тыс. Лет назад | 79 Se₡ | |||||
1,53 млн лет | 93 Zr | |||||||
237 Npƒ | 2,1–6,5 млн лет | 135 Cs₡ | 107 Pd | |||||
236 U | 247 смƒ | 15–24 млн лет | 129 I₡ | |||||
244 Pu | 80 млн лет | ... не более 15,7 млн лет [14] | ||||||
232 Чт№ | 238 У№ | 235 Uƒ№ | 0,7–14,1 млрд лет | |||||
Легенда для верхнего индекса символов |
Известные изотопы
Нептуний-235
Нептуний-235 имеет 142 нейтрона и период полураспада 396,1 дня. Этот изотоп распадается на:
- Альфа-излучение : энергия распада составляет 5,2 МэВ, продукт распада - протактиний-231 .
- Захват электронов : энергия распада 0,125 МэВ, продукт распада - уран-235.
Этот изотоп нептуния имеет массу 235.044 063 3 ед.
Нептуний-236
Нептуний-236 имеет 143 нейтрона и период полураспада 154 000 лет. Он может распадаться следующими способами:
- Захват электронов : энергия распада 0,93 МэВ, продукт распада - уран-236 . Обычно он распадается (с периодом полураспада 23 миллиона лет) до тория-232 .
- Бета-излучение : энергия распада 0,48 МэВ, продукт распада - плутоний-236 . Обычно он распадается (период полураспада 2,8 года) до урана-232 , который обычно распадается (период полураспада 69 лет) до тория-228 , который через несколько лет распадается до свинца-208 .
- Альфа-излучение : энергия распада 5,007 МэВ, продукт распада - протактиний-232 . Он распадается с периодом полураспада 1,3 дня до урана-232.
Этот конкретный изотоп нептуния имеет массу 236,04657 ед. Это делящийся материал с критической массой 6,79 кг (15,0 фунта). [15]
236
Np
образуется в небольших количествах в результате реакций захвата (n, 2n) и (γ, n) 237
Np
, [16] однако практически невозможно отделить в каких-либо значительных количествах от его родительского237
Np
. [17] Именно по этой причине, несмотря на его низкую критическую массу и высокое нейтронное сечение, он не исследовался в качестве ядерного топлива в оружии или реакторах. Тем не менее,236
Np
был рассмотрен для использования в масс-спектрометрии и в качестве радиоактивного индикатора , поскольку он распадается преимущественно за счет бета-излучения с длительным периодом полураспада. [18] Было исследовано несколько альтернативных путей производства этого изотопа, а именно те, которые уменьшают разделение изотопов из237
Np
или изомер 236 кв.м.
Np
. Самые благоприятные реакции на накопление236
Np
было показано протонное и дейтронное облучение урана-238 . [18]
Нептуний-237
237
Np
распадается через ряд нептуния , который заканчивается таллием-205 , который является стабильным, в отличие от большинства других актинидов , которые распадаются на стабильные изотопы свинца .
В 2002, 237
Np
было показано, что он способен поддерживать цепную реакцию с быстрыми нейтронами , как в ядерном оружии , с критической массой около 60 кг. [19] Однако он имеет низкую вероятность деления при бомбардировке тепловыми нейтронами , что делает его непригодным в качестве топлива для легководных атомных электростанций (в отличие, например, от быстрых реакторов или систем с ускорителем ).
237
Np
является единственным нептуний изотоп производится в значительном количестве в ядерном топливном цикле , и пути последовательного захвата нейтронов от урана-235 (который деления большинства , но не все время) и уран-236 , или (п, 2п) реакций где а быстро нейтрон иногда выбивает нейтрон из урана-238 или изотопов плутония . В долгосрочной перспективе237
Np
также образуется в отработавшем ядерном топливе как продукт распада америция-241 .
237
Np
предполагалось, что это один из самых мобильных нуклидов в хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин .
Использование в производстве плутония-238
Под воздействием нейтронной бомбардировки 237
Np
может захватывать нейтрон, подвергаться бета-распаду и становиться 238Пу, этот продукт полезен в качестве источника тепловой энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе для выработки электричества и тепла в космических аппаратах (таких как зонды New Horizons и Voyager ) и, в недавнем сообщении, в Марсианской научной лаборатории (Curiosity вездеход). Эти приложения экономически практичны там, где фотоэлектрические источники энергии слабы или несовместимы из-за того, что зонды находятся слишком далеко от солнца или марсоходы сталкиваются с климатическими явлениями, которые могут препятствовать солнечному свету на длительные периоды. Космические зонды и вездеходы также используют тепловую мощность генератора, чтобы поддерживать свои инструменты и внутренние устройства в тепле. [20]
Рекомендации
- ^ Пеппард, Д. Ф.; Мейсон, GW; Серый, PR; Мех, Дж. Ф. (1952). «Возникновение серии (4n + 1) в природе» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 74 (23): 6081–6084. DOI : 10.1021 / ja01143a074 .
- ^ [Дозиметрия на пленке в ядерных испытаниях в атмосфере, Комитет по дозиметрии на пленке в испытаниях ядерной атмосферы, Комиссия по инженерным и техническим системам, Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет. pg24-35]
- ^ Анализ границ эффектов фракционирования радионуклидов в выпадениях на оценку доз для ветеранов-атомщиков DTRA-TR-07-5. 2007 г.
- ^ Wang, M .; Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Хуанг, WJ; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030003 .
- ^ Ян, H; Ma, L; Чжан, З; Ян, C; Ган, З; Чжан, М; и другие. (2018). «Свойства альфа-распада полумагического ядра 219 Np» . Физика Письма Б . 777 : 212–216. DOI : 10.1016 / j.physletb.2017.12.017 .
- ^ Zhang, ZY; Ган, З.Г .; Ян, HB; и другие. (2019). «Новый изотоп 220 Np: исследование устойчивости закрытия оболочки N = 126 в нептунии». Письма с физической проверкой . 122 (19): 192503. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.122.192503 .
- ^ Ma, L .; Zhang, ZY; Ган, З.Г .; и другие. (2020). «Короткоживущий α-излучающий изотоп 222 Np и стабильность магической оболочки N = 126». Письма с физической проверкой . 125 : 032502. дои : 10,1103 / PhysRevLett.125.032502 .
- ^ Вс, доктор медицинских наук; и другие. (2017). «Новый короткоживущий изотоп 223 Np и отсутствие замыкания подоболочки Z = 92 вблизи N = 126» . Физика Письма Б . 771 : 303–308. Bibcode : 2017PhLB..771..303S . DOI : 10.1016 / j.physletb.2017.03.074 .
- ^ Хуанг, TH; и другие. (2018). «Идентификация нового изотопа 224 Np» (pdf) . Physical Review C . 98 (4): 044302. Bibcode : 2018PhRvC..98d4302H . DOI : 10.1103 / PhysRevC.98.044302 .
- ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где нет нуклидов с периодом полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Самый долгоживущий изотоп радия, 1600 лет, поэтому заслуживает включения этого элемента в этот список.
- ^ В частности, отделения U-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
- ^ Milsted, J .; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (65) 90719-4 .
«Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Рост Cf не наблюдался. 248 , и нижний предел для β - периода полураспада может быть установлен на уровне примерно 10 4 [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]. " - ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до " Моря нестабильности ".
- ^ Исключая " классически стабильные " нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим 232 Th; например, в то время как 113m Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, период полураспада 113 Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.
- ↑ Заключительный отчет, оценка данных по безопасности ядерной критичности и пределов для актинидов при транспортировке. Архивировано 19 мая 2011 г.в Wayback Machine , Французская Республика, Институт радиозащиты и Срете Нуклер, Департамент профилактики и исследования аварий.
- ^ Анализ повторного использования урана, извлеченного при переработке коммерческого отработавшего топлива LWR , Министерство энергетики США, Национальная лаборатория Окриджа.
- ^ ** Юкка Лехто; Сяолинь Хоу (2011). «15.15: Нептуний». Химия и анализ радионуклидов (1-е изд.). Джон Вили и сыновья . 231. ISBN. 3527633022.
- ^ а б Джером, С. М.; Иванов, П .; Larijani, C .; Паркер, диджей; Реган, PH (2014). «Производство Нептуния-236г». Журнал экологической радиоактивности . 138 : 315–322. DOI : 10.1016 / j.jenvrad.2014.02.029 .
- ^ П. Вайс (26 октября 2002 г.). «Neptunium Nukes? Малоизученный металл становится критическим» . Новости науки . 162 (17): 259. DOI : 10,2307 / 4014034 . Архивировано из оригинального 15 декабря 2012 года . Проверено 7 ноября 2013 года .
- ^ Витце, Александра (27 ноября 2014 г.). «Ядерная энергетика: отчаянно ищет плутоний» . Природа . 515 (7528): 484–486. Bibcode : 2014Natur.515..484W . DOI : 10.1038 / 515484a .
- Изотопные массы из:
- Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE " , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001
- Изотопные составы и стандартные атомные массы из:
- де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёльке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пайзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип DP (2003). «Атомный вес элементов. Обзор 2000 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 75 (6): 683–800. DOI : 10.1351 / pac200375060683 .
- Визер, Майкл Э. (2006). «Атомный вес элементов 2005 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. DOI : 10,1351 / pac200678112051 . Выложите резюме .
- Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
- Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE " , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001
- Национальный центр ядерных данных . «База данных NuDat 2.x» . Брукхейвенская национальная лаборатория .
- Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). CRC Справочник по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.