Nettunio
Nettunio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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uranio ← nettunio → plutonio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aspetto | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Linea spettrale ![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Generalità | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nome, simbolo, numero atomico | nettunio, Np, 93 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Serie | attinoidi | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppo, periodo, blocco | — (3)[1], 7, f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densità | 18,0-20,45 g/cm³[2][3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configurazione elettronica | ![]() | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Termine spettroscopico | 6L11/2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietà atomiche | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atomico | 237,0482 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | 4 273 K (4 000 °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·Ω | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conducibilità termica | 6,3 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia di prima ionizzazione | 604,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isotopi più stabili | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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 e il suo simbolo è Np. 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
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 (con un'emivita di 2,3 giorni) in un ciclotrone bombardando dell'uranio con neutroni lenti (ovvero con energia <1 eV[7]).[8][9][10]
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), di boemio nel 1934 e di sequanio nel 1939 – tutti smentiti da successive verifiche.[11][12]
Caratteristiche
Allo stato solido, il nettunio si presenta come un metallo di colore argenteo, discretamente reattivo ed esistente in tre forme allotropiche[6][10]:
- α-nettunio: ortorombico con densità 20,25 g/cm³ (20 250 kg/m³).
- β-nettunio (oltre i 280 °C), tetragonale con densità 19,36 g/cm³ (19 360 kg/m³) a 313 °C.
- γ-nettunio (oltre 577 °C), cubico con densità 18 g/cm³ (18 000 kg/m³) a 600 °C.
Disponibilità
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 1200 °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]
Un'ulteriore cattura neutronica produce 237U che ha un'emivita di 7 giorni e decade rapidamente in 237Np.
237U viene prodotto anche tramite una reazione (n,2n) con 238U (ma solo se i neutroni hanno alta energia).
Isotopi
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) | Massa (u) | emivita | spin nucleare |
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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)×103 a | (6−) |
236mNp | 60(50) keV | 22,5(4) h | 1 | ||
237Np | 93 | 144 | 237,0481734(20) | 2,144(7)×106 a | 5/2+ |
238Np | 93 | 145 | 238,0509464(20) | 2,117(2) g | 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
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, NpO2+2 (rosa pallido).[20] Un altro stato di ossidazione conosciuto è NpO+2 (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
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 (> 10000 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 questi ultimi dovessero deteriorarsi.[26][27][28]
Applicazioni
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]
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
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- ^ André Michaudon, From Alchemy to Atoms - The making of Plutonium (PDF), in Los Alamos Science, n. 26, 2000, p. 65 (per la definizione di neutrone lento) e p. 70 (per la scoperta del Nettunio).
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- ^ (EN) 104 General Physics – Lecture 28 – fall 2007 (PDF), su tycho.physics.wisc.edu, Università del Wisconsin-Madison, autunno 2007. URL consultato il 18 maggio 2010 (archiviato dall'url originale il 12 giugno 2010).
- ^ Chapter 4 La fisica nucleare: Fisica, Energetica, Applicazioni (PDF), su personalpages.to.infn.it. Dispensa per il corso di Applicazioni delle Tecniche della Fisica Nucleare dell'Istituto nazionale di fisica nucleare.
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- ^ 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.
- ^ 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).
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- ^ I neutroni veloci sono neutroni con energia iniziale compresa tra 100 keV e alcune decine di MeV; sono considerati ad alta energia quelli con energia superiore a 100 MeV.
- ^ (EN) M. Sohrabia e K. Becker, Fast neutron personnel monitoring by fission fragment registration from 237Np, in Nuclear Instruments and Methods, 148, Issue 3, 1º febbraio 1978, pp. 511-520.
- ^ (EN)
«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.»
- ^ (EN) Smoke detectors and americium-241 fact sheet (PDF), su cns-snc.ca, Canadian Nuclear Society, ottobre 2008.
- ^ 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.
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- ^ (EN) Restricted Data Declassification Decisions from 1946 until Present, su fas.org, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America, 1º gennaio 2001.
Bibliografia
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- R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
- Albert Stwertka, Guide to the Elements – Revised Edition, Oxford University Press, 1998, ISBN 0-19-508083-1.
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Collegamenti esterni
- nettunio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
- (EN) Lester Morss, neptunium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Los Alamos National Laboratory's Chemistry Division: Periodic Table – Neptunium, su pearl1.lanl.gov. URL consultato il 17 maggio 2005 (archiviato dall'url originale il 7 febbraio 2005).
- (EN) Nettunio, su webelements.com.
- (EN) Nettunio, su environmentalchemistry.com.
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