| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Нептуний ( 93 Np) обычно считается искусственным элементом , хотя следовые количества встречаются в природе, поэтому стандартный атомный вес не может быть дан. Как и все следовые или искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов . Первым изотопом , который был синтезирован и идентифицирован в 1940 году, был 239 Np, полученный путем бомбардировки238
У
с нейтронами для производства239
У
, который затем подвергся бета-распаду до239
Нп
.
Следовые количества обнаруживаются в природе в реакциях захвата нейтронов атомами урана , факт, обнаруженный только в 1951 году. [2]
Были охарактеризованы двадцать пять радиоизотопов нептуния, наиболее стабильным из которых является237
Нп
с периодом полураспада 2,14 миллиона лет,236
Нп
с периодом полураспада 154 000 лет, и235
Нп
с периодом полураспада 396,1 дня. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,5 дней, и большинство из них имеют период полураспада менее 50 минут. Этот элемент также имеет пять метасостояний , наиболее стабильным из которых является236м
Нп
(t 1/2 22,5 часа).
Изотопы нептуния варьируются от219
Нп
к244
Нп
, хотя промежуточный изотоп221
Нп
пока не наблюдалось. Первичный режим распада до самого стабильного изотопа,237
Нп
, это захват электронов (с большой долей альфа-излучения ), а основной режим после - бета-излучение . Первичные продукты распада до237
Нп
являются изотопами урана и протактиния , а первичные продукты после этого являются изотопами плутония . Нептуний является самым тяжелым элементом, для которого известно расположение протонной капельной линии ; самый легкий связанный изотоп - 220 Np. [3]
Нуклид [n 1] | З | Н | 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 Нп [5] [н 8] | 93 | 126 | 219.03162(9) | 0,15+0,72 −0,07 РС | α | 215 Па | (9/2−) | ||||||||||||
220 Нп [3] | 93 | 127 | 220.03254(21)# | 25+14 −7 мкс | α | 216 Па | 1−# | ||||||||||||
222 Нп [6] | 93 | 129 | 380+260 −110 нс | α | 218 Па | 1−# | |||||||||||||
223 Нп [7] | 93 | 130 | 223.03285(21)# | 2.15+100 −52 мкс | α | 219 Па | 9/2− | ||||||||||||
224 Нп [8] | 93 | 131 | 224.03422(21)# | 38+26 −11 мкс | α (83%) | 220м1 Па | 1−# | ||||||||||||
α (17%) | 220м2 Па | ||||||||||||||||||
225 Нп | 93 | 132 | 225.03391(8) | 6(5) мс | α | 221 Па | 9/2−# | ||||||||||||
226 Нп | 93 | 133 | 226.03515(10)# | 35(10) мс | α | 222 Па | |||||||||||||
227 Нп | 93 | 134 | 227.03496(8) | 510(60) мс | α (99,95%) | 223 Па | 5/2−# | ||||||||||||
β + (.05%) | 227 У | ||||||||||||||||||
228 Нп | 93 | 135 | 228.03618(21)# | 61,4(14) с | β + (59%) | 228 У | |||||||||||||
α (41%) | 224 Па | ||||||||||||||||||
β + , СФ (.012%) | (различный) | ||||||||||||||||||
229 Нп | 93 | 136 | 229.03626(9) | 4.0(2) мин | α (51%) | 225 Па | 5/2+# | ||||||||||||
β + (49%) | 229 У | ||||||||||||||||||
230 Нп | 93 | 137 | 230.03783(6) | 4.6(3) мин | β + (97%) | 230 У | |||||||||||||
α (3%) | 226 Па | ||||||||||||||||||
231 Нп | 93 | 138 | 231.03825(5) | 48,8(2) мин | β + (98%) | 231 У | (5/2)(+#) | ||||||||||||
α (2%) | 227 Па | ||||||||||||||||||
232 Нп | 93 | 139 | 232.04011(11)# | 14,7(3) мин | β + (99,99%) | 232 У | (4+) | ||||||||||||
α (.003%) | 228 Па | ||||||||||||||||||
233 Нп | 93 | 140 | 233.04074(5) | 36.2(1) мин | β + (99,99%) | 233 У | (5/2+) | ||||||||||||
α (.001%) | 229 Па | ||||||||||||||||||
234 Нп | 93 | 141 | 234.042895(9) | 4.4(1) д | β + | 234 У | (0+) | ||||||||||||
234м Нп [9] | ~9 мин. | ЭТО | 234 Нп | 5+ | |||||||||||||||
ЕС | 234 У | ||||||||||||||||||
235 Нп | 93 | 142 | 235.0440633(21) | 396.1(12) д | ЕС | 235 У | 5/2+ | ||||||||||||
α (.0026%) | 231 Па | ||||||||||||||||||
236 Нп [н 9] | 93 | 143 | 236.04657(5) | 1,54(6)×10 5 лет | ЕС (87,3%) | 236 У | (6−) | ||||||||||||
β − (12,5%) | 236 Pu | ||||||||||||||||||
α (.16%) | 232 Па | ||||||||||||||||||
236м Нп | 60(50) кэВ | 22,5(4) ч | ЕС (52%) | 236 У | 1 | ||||||||||||||
β − (48%) | 236 Pu | ||||||||||||||||||
237 Нп [н 10] | 93 | 144 | 237.0481734(20) | 2,144(7)×10 6 лет | α | 233 Па | 5/2+ | След [n 11] | |||||||||||
СФ (2×10−10 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
КД (4×10−12 % ) | 207 Тл 30 Мг | ||||||||||||||||||
238 Нп | 93 | 145 | 238.0509464(20) | 2.117(2) г | β − | 238 Pu | 2+ | ||||||||||||
238м Нп | 2300(200)# кэВ | 112(39) нс | |||||||||||||||||
239 Нп | 93 | 146 | 239.0529390(22) | 2.356(3) д | β − | 239 Pu | 5/2+ | След [n 11] | |||||||||||
240 Нп | 93 | 147 | 240.056162(16) | 61,9(2) мин | β − | 240 Пу | (5+) | След [n 12] | |||||||||||
240м Нп | 20(15) кэВ | 7.22(2) мин | β − (99,89%) | 240 Пу | 1(+) | ||||||||||||||
ИТ (.11%) | 240 Нп | ||||||||||||||||||
241 Нп | 93 | 148 | 241.058349(33) [10] | 13.9(2) мин | β − | 241 Pu | (5/2+) | ||||||||||||
242 Нп | 93 | 149 | 242.061738(87) [10] | 2.2(2) мин | β − | 242 Pu | (1+) | ||||||||||||
242м Нп | 0(50)# кэВ | 5.5(1) мин | 6+# | ||||||||||||||||
243 Нп | 93 | 150 | 243.06428(3)# | 1.85(15) мин | β − | 243 Pu | (5/2−) | ||||||||||||
244 Нп | 93 | 151 | 244.06785(32)# | 2.29(16) мин | β − | 244 Pu | (7−) | ||||||||||||
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы: |
Компакт-диск: | Распад кластера |
ЕС: | Захват электронов |
ЭТО: | Изомерный переход |
СФ: | Спонтанное деление |
Актиниды [11] по цепочке распада | Диапазон периода полураспада ( а ) | Продукты деления 235 U по выходу [ 12] | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4 н | 4 н + 1 | 4 н + 2 | 4 н + 3 | 4,5–7% | 0,04–1,25% | <0,001% | ||
228 Ра№ | 4–6 утра | 155 Euþ | ||||||
248 Бк[13] | > 9 утра | |||||||
244 смƒ | 241 Puƒ | 250 Кф | 227 Ак№ | 10–29 утра | 90 Ср | 85 Кр | 113m Кдþ | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 смƒ | 29–97 а | 137С | 151 Смþ | 121м Сн | ||
249 Кфƒ | 242m Amƒ | 141–351 а | Ни один из продуктов деления не имеет периода полураспада | |||||
241 Амƒ | 251 Кфƒ[14] | 430–900 а | ||||||
226 Ра№ | 247 Бк | 1,3–1,6 тыс. лет назад | ||||||
240 Пу | 229 Тыс | 246 смƒ | 243 Амƒ | 4,7–7,4 тыс. лет назад | ||||
245 смƒ | 250 см | 8,3–8,5 тыс. лет назад | ||||||
239 Puƒ | 24,1 тыс. лет назад | |||||||
230 Ты№ | 231 Па№ | 32–76 тыс. лет назад | ||||||
236 Нпƒ | 233 Uƒ | 234 У№ | 150–250 тыс. лет назад | 99 тк₡ | 126 Сн | |||
248 см | 242 Pu | 327–375 тыс. лет назад | 79 се₡ | |||||
1,33 млн лет назад | 135 Cs₡ | |||||||
237 Нпƒ | 1,61–6,5 млн лет назад | 93 Зр | 107 Пд | |||||
236 У | 247 смƒ | 15–24 млн лет назад | 129 Я₡ | |||||
244 Pu | 80 млн лет назад | ... и не более 15,7 млн лет назад [15] | ||||||
232 Т№ | 238 У№ | 235 Uƒ№ | 0,7–14,1 млрд лет | |||||
|
Нептуний-235 имеет 142 нейтрона и период полураспада 396,1 дня. Этот изотоп распадается:
Этот изотоп нептуния имеет массу 235,044 063 3 а.е.м.
Нептуний-236 имеет 143 нейтрона и период полураспада 154 000 лет. Он может распадаться следующими способами:
Этот конкретный изотоп нептуния имеет массу 236,04657 а.е.м. Это расщепляющийся материал; его предполагаемая критическая масса составляет 6,79 кг (15,0 фунтов), [16] хотя точные экспериментальные данные отсутствуют. [17]
236
Нп
производится в небольших количествах посредством реакций захвата (n,2n) и (γ,n)237
Нп
, [18] однако, его практически невозможно отделить в каких-либо значительных количествах от его исходного вещества237
Нп
. [19] Именно по этой причине, несмотря на его низкую критическую массу и высокое нейтронное сечение, он не был широко исследован в качестве ядерного топлива в оружии или реакторах. [17] Тем не менее,236
Нп
рассматривался для использования в масс-спектрометрии и в качестве радиоактивного индикатора , поскольку он распадается преимущественно путем бета-излучения с длительным периодом полураспада. [20] Было исследовано несколько альтернативных путей производства этого изотопа, а именно те, которые уменьшают изотопное разделение из237
Нп
или изомер 236м
Нп
. Наиболее благоприятные реакции для накопления236
Нп
было показано, что облучение урана-238 протонами и дейтронами . [20]
237
Нп
распадается через ряд нептуния , который заканчивается таллием-205 , который стабилен, в отличие от большинства других актинидов , которые распадаются на стабильные изотопы свинца .
В 2002 году237
Нп
Было показано, что он способен поддерживать цепную реакцию с быстрыми нейтронами , как в ядерном оружии , с критической массой около 60 кг. [21] 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 ускорителями ).
237
Нп
является единственным изотопом нептуния, который производится в значительных количествах в ядерном топливном цикле , как путем последовательного захвата нейтронов ураном -235 (который делится большую часть времени, но не все время), так и ураном-236 , или реакциями (n,2n), где быстрый нейтрон время от времени выбивает нейтрон из урана-238 или изотопов плутония . В долгосрочной перспективе,237
Нп
также образуется в отработанном ядерном топливе как продукт распада америция-241 .
237
Нп
считается одним из самых мобильных радионуклидов на территории хранилища ядерных отходов Юкка-Маунтин ( штат Невада ), где в ненасыщенной зоне вулканического туфа над уровнем грунтовых вод преобладают окислительные условия .
При нейтронной бомбардировке237
Нп
может захватить нейтрон, подвергнуться бета-распаду и стать238
Пу
, этот продукт полезен в качестве источника тепловой энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РИТЭГ или РИТЭГ) для производства электроэнергии и тепла. Первый тип термоэлектрического генератора SNAP ( Systems for Nuclear Auxiliary Power ) был разработан и использовался NASA в 1960-х годах и во время миссий Apollo для питания инструментов, оставленных на поверхности Луны астронавтами. Термоэлектрические генераторы также были установлены на борту зондов дальнего космоса, таких как миссии Pioneer 10 и 11 , программа Voyager , миссия Cassini-Huygens и New Horizons . Они также поставляют электрическую и тепловую энергию для Mars Science Laboratory (марсоход Curiosity) и миссии Mars 2020 ( марсоход Perseverance ), которые исследуют холодную поверхность Марса . Марсоходы Curiosity и Perseverance оснащены последней версией многоцелевого радиоизотопного течеискателя (RTG) — более эффективной и стандартизированной системой, получившей название MMRTG .
Эти приложения экономически практичны, когда фотоэлектрические источники энергии слабы или нестабильны из-за того, что зонды находятся слишком далеко от солнца или марсоходы сталкиваются с климатическими явлениями, которые могут препятствовать солнечному свету в течение длительных периодов (например, марсианские пылевые бури ). Космические зонды и марсоходы также используют тепло, вырабатываемое генератором, для поддержания тепла в своих приборах и внутренних частях. [22]
Длительный период полураспада (T ½ ~ 88 лет)238
Пу
и отсутствие γ-излучения , которое могло бы помешать работе бортовых электронных компонентов или облучить людей, делает его предпочтительным радионуклидом для электрических термогенераторов.
237
Нп
поэтому является ключевым радионуклидом для производства238
Пу
, что имеет решающее значение для зондов дальнего космоса, которым требуется надежный и долговременный источник энергии без технического обслуживания.
Запасы 238
Пу
созданные в Соединенных Штатах со времен Манхэттенского проекта , благодаря ядерному комплексу в Ханфорде (работавшему в штате Вашингтон с 1943 по 1977 год) и разработке атомного оружия , в настоящее время почти исчерпаны. Извлечение и очистка достаточного количества новых237
Нп
из облученного ядерного топлива поэтому необходимо для возобновления238
Пу
производство с целью пополнения запасов, необходимых для исследования космоса автоматическими зондами.
Нептуний-239 имеет 146 нейтронов и период полураспада 2,356 дня. Он производится посредством β − распада короткоживущего урана-239 и подвергается еще одному β − распаду до плутония-239 . Это основной путь получения плутония, так как 239 U может быть получен путем захвата нейтронов в уране-238 . [23]
Уран-237 и нептуний-239 считаются основными опасными радиоизотопами в течение первого часа или недели после выпадения радиоактивных осадков в результате ядерного взрыва, при этом 239 Np доминирует «в спектре в течение нескольких дней». [24] [25]