Nettunio

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Nettunio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Sfera di 237Np (6 kg) al Los Alamos National Laboratory
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico nettunio, Np, 93
Serie attinoidi
Gruppo, periodo, blocco n/a (3)[1], 7, f
Densità 18,0-20,45 g/cm³[2][3]
Durezza n.d.
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 237,0482 u.m.a.
Raggio atomico (calc.) 155 pm
Raggio covalente (190 ± 1) pm
Configurazione elettronica [Rn] 7s2 6d1 5f4
e per livello energetico 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Stati di ossidazione 6, 5, 4, 3 (anfotero)
Struttura cristallina ortorombica, tetragonale, cubica
Proprietà fisiche
Stato della materia solido (paramagnetico)
Punto di fusione 910 K (637 °C)
Punto di ebollizione 4273 K (4000 °C)
Volume molare 1,159 × 10−5  m³/mol
Entalpia di vaporizzazione 336 kJ/mol
Calore di fusione 5,19 kJ/mol
Altre proprietà
Numero CAS 7439-99-8
Elettronegatività 1,36 (Scala di Pauling)
Conducibilità elettrica 8,22 × 10−5  /m ohm
Conducibilità termica 6,3 W/(m K)
Energia di prima ionizzazione 604,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
235Np sintetico 369,1 giorni α
ε
5,192
0,124
231Pa
235U
236Np sintetico 1,54 × 105  anni ε
β-
α
0,940
0,940
5,020
236U
236Pu
232Pa
237Np sintetico 2,144 × 106  anni[4] α
fiss.
4,959
 
233Pa
 
239Np sintetico 2,355 giorni[4] β-   239Pu
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il nettunio è un elemento chimico con numero atomico 93. Il suo simbolo è Np ed è un elemento transuranico incluso nella serie degli attinoidi sulla tavola periodica.[4] Possiede 19 isotopi, tutti instabili[4], e si presenta, allo stato solido, in 3 forme allotropiche. Il suo isotopo più stabile (237Np) è un sottoprodotto di reazione nei reattori nucleari[5] e trova impiego nella costruzione di rilevatori di neutroni. È presente, in tracce, nei minerali di uranio.[6]

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il nettunio appartiene alla serie degli attinoidi e fu il primo elemento transuranico ad essere sintetizzato in laboratorio. Fu scoperto e battezzato «nettunio» (dal pianeta Nettuno, per analogia con l'uranio) da Edwin McMillan e Philip Hauge Abelson, nel 1940, all'interno del Radiation Laboratory (dal 1959, Lawrence Berkeley National Laboratory) dell'Università di Berkeley in California. I due fisici sintetizzarono l'isotopo 239Np (emivita: 2,3 giorni) in un ciclotrone bombardando dell'uranio con neutroni lenti (ovvero con energia < 1 eV[7]).[8][9][10]

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.355 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}

Prima di tale data, sono menzionati in letteratura almeno tre annunci della scoperta dell'elemento 93 - con il nome di ausonio (Enrico Fermi et alii) e boemio nel 1934, e di sequanio nel 1939 - tutti smentiti da successive verifiche.[11][12]

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Allo stato solido, il nettunio si presenta come un metallo di colore argenteo, discretamente reattivo e disponibile in tre forme allotropiche[6][10]:

  • α-nettunio: ortorombico con densità 20,25 g/cm3 (20250 kg/m3).
  • β-nettunio (oltre i 280 °C), tetragonale con densità 19,36 g/cm3 (19360 kg/m3) a 313 °C.
  • γ-nettunio (oltre 577 °C), cubico con densità 18 g/cm3 (18000 kg/m3) a 600 °C.

Disponibilità[modifica | modifica wikitesto]

Tracce di nettunio sono presenti, in natura, nei minerali di uranio come prodotto di decadimento radioattivo del 237U. L'isotopo 237Np si può sintetizzare per riduzione di NpF3 con vapori di bario o litio a circa 1 200 °C[6], ma prevalentemente si ottiene come sottoprodotto di reazione dal combustibile nucleare esausto e/o durante la produzione di plutonio. 237Np viene prodotto anche per decadimento alfa di 241Am.[13]

Con la cattura di un neutrone termico, un atomo di 235U passa allo stato eccitato di 236mU, un isomero metastabile con un'emivita di 1 × 10−12 s.[14] Escludendo gli atomi che decadono nuovamente in 235U per reazioni di scattering elastico e anelastico, circa l'84% dei nuclei eccitati subisce la fissione, mentre il restante 16% decade allo stato fondamentale di 236U cedendo 6,46 MeV sotto forma di radiazioni gamma.[15][16][17]

\mathrm{^{235}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{236}_{\ 92}U_m\ \xrightarrow[120 \ ns]{} \ ^{236}_{\ 92}U\ +\ \gamma}

Un ulteriore cattura neutronica produce 237U che ha un'emivita di 7 giorni e decade rapidamente in 237Np.

\mathrm{^{236}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 92}U\ \xrightarrow[6.75 \ d]{\beta^-} \ ^{237}_{\ 93}Np}

237U viene prodotto anche tramite una reazione (n,2n) con 238U (ma solo se i neutroni hanno alta energia).

Isotopi[modifica | modifica wikitesto]

Sono noti 19 radioisotopi del nettunio, i più stabili dei quali sono il 237Np con emivita di 2,14 milioni di anni, il 236Np con emivita di 154 000 anni e 235Np con emivita di 396,1 giorni. Tutti gli altri isotopi radioattivi hanno emivite inferiori a 5 giorni e, per la maggior parte, inferiori ad 1 ora. Questo elemento ha anche 4 stati metastabili, di cui il più stabile è il 236mNp (t½ 22,5 ore).[18][19]

Gli isotopi di nettunio hanno un peso atomico variabile tra 225,034 u (225Np) e 244,068 u (244Np). Il principale modo di decadimento prima dell'isotopo più stabile (237Np) è la cattura elettronica (con un decadimento alfa significativo), mentre quello più comune dopo l'isotopo più stabile è il decadimento beta. I prodotti di decadimento prima di 237Np sono isotopi di uranio (mentre il decadimento alfa produce, invece, isotopi di protoattinio) e i prodotti principali dopo di esso sono isotopi di plutonio.[18][19]

Radionuclide Z(p) N(n)  
unità di massa atomica (u)
 
emivita spin nucleare
energia di eccitazione
225Np 93 132 225.03391(8) 3# ms [>2 µs] 9/2-#
226Np 93 133 226.03515(10)# 35(10) ms
227Np 93 134 227.03496(8) 510(60) ms 5/2-#
228Np 93 135 228.03618(21)# 61.4(14) s
229Np 93 136 229.03626(9) 4.0(2) min 5/2+#
230Np 93 137 230.03783(6) 4.6(3) min
231Np 93 138 231.03825(5) 48.8(2) min (5/2)(+#)
232Np 93 139 232.04011(11)# 14.7(3) min (4+)
233Np 93 140 233.04074(5) 36.2(1) min (5/2+)
234Np 93 141 234.042895(9) 4.4(1) d (0+)
235Np 93 142 235.0440633(21) 396.1(12) d 5/2+
236Np 93 143 236.04657(5) 154(6)E+3 a (6-)
236mNp 60(50) keV 22.5(4) h 1
237Np 93 144 237.0481734(20) 2.144(7)E+6 a 5/2+
238Np 93 145 238.0509464(20) 2.117(2) d 2+
238mNp 2300(200)# keV 112(39) ns
239Np 93 146 239.0529390(22) 2.356(3) d 5/2+
240Np 93 147 240.056162(16) 61.9(2) min (5+)
240mNp 20(15) keV 7.22(2) min 1(+)
241Np 93 148 241.05825(8) 13.9(2) min (5/2+)
242Np 93 149 242.06164(21) 2.2(2) min (1+)
242mNp 0(50)# keV 5.5(1) min 6+#
243Np 93 150 243.06428(3)# 1.85(15) min (5/2-)
244Np 93 151 244.06785(32)# 2.29(16) min (7-)

Composti[modifica | modifica wikitesto]

Possiede vari stati di ossidazione, i più alti dei quali sono quelli ottenuti in soluzione acquosa[10] come Np3+ (di colore purpureo analogamente allo ione Pm3+) che produce, per ossidazione all'aria, Np4+ (verde-giallo) e, successivamente, NpO22+ (rosa pallido).[20] Un altro stato di ossidazione conosciuto è NpO2+ (verde bluastro in soluzione acquosa) ottenuto per ossidazione di Np4+ con acido nitrico caldo.[20][21]

I principali composti del nettunio sono gli alogenuri NpF6 (arancione), NpF4 (verde), NpF3 (viola-nero), NpCl4 (rosso-marrone), NpCl3 (bianco), NpBr4 (rosso-marrone), NpBr3 (verde), NpI3 (marrone) e gli ossidi Np3O8 e NpO2.[10][20]

Inquinamento da 237Np nel lungo periodo[modifica | modifica wikitesto]

Gli isotopi di nettunio più pesanti decadono rapidamente, mentre quelli più leggeri non possono essere prodotti per cattura neutronica; di conseguenza, la separazione chimica del nettunio dal combustibile nucleare esausto produce sostanzialmente il solo 237Np. Per tale motivo - e per la scarsa rilevanza come prodotto del decadimento naturale nei giacimenti di minerali uranili - questo radionuclide del nettunio si presta come indicatore dell'inquinamento di lungo periodo connesso con le attività nucleari umane.[22][23]

Come altri tre prodotti di fissione (99Tc, 129I e 234U) il radioisotopo 237Np possiede un'emivita molto lunga[24], è facilmente solubile in acqua e viene scarsamente assorbito dai minerali, per cui, pur essendo un nuclide a bassa emissione radioattiva, potrebbe rappresentare, nel lungo periodo (> 10 000 anni dallo stoccaggio) a causa del progressivo accumulo e dell'elevata mobilità[25], l'agente più significativo di inquinamento radioattivo per le falde acquifere e i bacini idrografici prossimali ai depositi di scorie se quest'ultimi dovessero deteriorarsi.[26][27][28]

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

237Np trova impiego nella costruzione di dosimetri di neutroni veloci e ad alta energia[29], anche per uso personale[30], in campo ospedaliero e industriale.[31] Lo stesso radioisotopo del nettunio è anche un prodotto di decadimento dell'americio presente nei rivelatori di fumo a ionizzazione.[32]

L'irradiazione neutronica di 237Np origina 238Pu che è una sorgente di particelle α per i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) utilizzati, prevalentemente, nel campo dell'esplorazione spaziale. 237Np cattura un neutrone per formare 238Np che decade - per emissione beta dopo un paio di giorni - in 238Pu.[33]

\mathrm{^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}

Il nettunio è fissile e potrebbe teoricamente essere utilizzato come combustibile nei reattori a neutroni veloci o nelle armi nucleari.[34] Nel 1992, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti declassificò un documento che attestava la possibilità di impiego di 237Np nella costruzione di armi nucleari.[35] Nel settembre 2002, alcuni ricercatori dell'Università della California hanno creato, presso il Los Alamos National Laboratory, la prima massa critica di nettunio utilizzando, per gli esperimenti, una sfera di 6 kg di 237Np circondata da un guscio di uranio arricchito. I risultati degli esperimenti hanno mostrato che la massa critica è compresa attorno ai 58–60 kg.[3]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ International Union of Pure and Applied Chemistry > Periodic Table of the Elements, Iupac.org. URL consultato il 3 aprile 2010.
  2. ^ A seconda delle forme allotropiche (fonte: Bagnall K. W., The actinide elements, New York 1973. Citato in Enciclopedia della Scienza e della Tecnica, Mondadori, 1980, vol IX p. 75).
  3. ^ a b Rene Sanchez, David Loaiza, Robert Kimpland, David Hayes, Charlene Cappiello, Mark Chadwick. Criticality of a 237Np Sphere, Los Alamos National Laboratory.
  4. ^ a b c d A.A.V.V. Atomic weights of the elements 2001, IUPAC, 2001.
  5. ^ Separated Neptunium 237 and Americium (PDF). URL consultato il 6 giugno 2009.
  6. ^ a b c C. R. Hammond, The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press, 2004, ISBN 0-8493-0485-7.
  7. ^ André Michaudon. From Alchemy to Atoms - The making of Plutonium In Los Alamos Science n° 26 2000, p. 65 (per la definizione di neutrone lento) e p. 70 (per la scoperta del Nettunio).
  8. ^ A. Westgren. The Nobel Prize in Chemistry 1951 - Presentation speech, Accademia Reale Svedese delle Scienze, 1951.
  9. ^ Mcmillan, Edwin, Radioactive Element 93 in Physical Review, vol. 57, 1940, p. 1185, DOI:10.1103/PhysRev.57.1185.2.
  10. ^ a b c d Bagnall K. W., The actinide elements, New York 1973. Citato in Enciclopedia della Scienza e della Tecnica, Mondadori, 1980, vol IX p. 75.
  11. ^ Enrico Fermi. Artifical radioactivity produced by neutron bombardment, Nobel Lecture, 12 dicembre 1938.
  12. ^ Peter van der Krogt. Neptunium, Elementymology & Elements Multidict, 2010.
  13. ^ G. Ardisson et alii. High energy 237Np levels from 241Am (T1/2 = 431 y) alpha-decay, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 250, N° 1, ottobre 2001.
  14. ^ 104 General Physics - Lecture 28 - fall 2007, Università del Wisconsin-Madison, autunno 2007.
  15. ^ Chapter 4 La fisica nucleare: Fisica, Energetica, Applicazioni, dispensa per il corso di Applicazioni delle Tecniche della Fisica Nucleare dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
  16. ^ Enciclopedia della Scienza e della Tecnica, Mondadori, 1980, vol VI p. 139.
  17. ^ W. N. Cottingham,D. A. Greenwood. An introduction to nuclear physics, Cambridge University Press, 2001 p. 116 (specificatamente per le percentuali relative alle sezioni d'urto e di cattura).
  18. ^ a b Kenneth L Barbalace.Periodic Table of Elements - Neptunium, EnvironmentalChemistry.com, 2010.
  19. ^ a b Radioactive Elements - Table of nuclides - Neptunium. In Kaye and Laby Table of Nuclides, 16ª edizione, National Physical Laboratory, 2010.
  20. ^ a b c Lea B. Zinner, Geraldo Vicentini.Neptunium, Chemistry Encyclopedia, Advameg 2010.
  21. ^ Rita Cornelis,Joe Caruso,Helen Crews,Klaus Heumann. Handbook of elemental speciation II, Wiley, Chichester, 2005, p. 535.
  22. ^ T. M. Beasley, P. R. Dixon, L. J. Mann. 99Tc, 236U, and 237Np in the Snake River Plain Aquifer at the Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, Idaho Falls, Idaho, Environmental Science and Technology, 1998, 32 (24), pp 3875–3881.
  23. ^ Andrew S. Hursthouse, Murdoch S. Baxter, Francis R. Livensb, Henry J. Duncanc. Transfer of sellafield-derived 237Np to and within the terrestrial environment, Journal of Environmental Radioactivity, Vol. 14, Issue 2, 1991, pp. 147-174. Relativo all'analisi di campioni di terreno contaminati dall'impianto nucleare di Sellafield.
  24. ^ Gli LLFP (Long-lived fission products) sono i prodotti di decadimento con emivita superiore ai 200 000 anni. Per quanto riguarda i radionuclidi menzionati, 99Tc ha una emivita di 211 000 anni, 234U di 246 000 anni, 237Np di 2,144 milioni di anni e 129I di 15,7 milioni di anni.
  25. ^ 237Np è l'attinoide più mobile tra quelli presenti nei depositi nucleari situati in giacimenti geologici profondi (Roger Eckard, Yucca Mountain – Looking ten thousand years into the future, Los Alamos National Laboratory, 2005).
  26. ^ Finch R. J. A Structural Study of Neptunium-Bearing Uranium Oxides, American Geophysical Union, Spring Meeting 2002, abstract #M51A-09.
  27. ^ Roger Eckhard. Yucca Mountain – Looking ten thousand years into the future, Los Alamos National Laboratory, luglio 2005.
  28. ^ Lynn Yarris. Getting the Neptunium out of Nuclear Waste, in News Center (articolo del 29 novembre 2005) - Lawrence Berkeley National Laboratory, .
  29. ^ I neutroni veloci sono neutroni con energia iniziale compresa tra 100 KeV e alcune decine di MeV; sono considerati ad ad alta energia quelli con energia superiore a 100 MeV.
  30. ^ M. Sohrabia, K. Becker. Fast neutron personnel monitoring by fission fragment registration from 237Np, Nuclear Instruments and Methods, Volume 148, Issue 3, 1º febbraio 1978, pp. 511-520.
  31. ^ «Fission foils are commonly used as dosimetry sensors.[...] 235U, 238U, 239Pu, and 237Np are the most commonly used fissionable/fissile dosimetry materials. [...] 237Np is the most important for spectrum adjustment in that it provides a significant part of its response in the 100 keV to 1 MeV region where few other dosimetry sensors are practical.» In: P.j Griffin et alii. Factors affecting use of fission foils as dosimetry sensors - Introduction, Sandia National Laboratories.
  32. ^ Smoke detectors and americium-241 fact sheet, Canadian Nuclear Society, ottobre 2008.
  33. ^ Lange, R, Review of recent advances of radioisotope power systems in Energy Conversion and Management, vol. 49, 2008, pp. 393–401, DOI:10.1016/j.enconman.2007.10.028.
  34. ^ P. Weiss, Little-studied metal goes critical - Neptunium Nukes?, Science News, 26 ottobre 2002. URL consultato il 19 maggio 2010.
  35. ^ U.S. Department of Energy. Restricted Data Declassification Decisions from 1946 until Present, 1º gennaio 2001.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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