Изотопы нептуния

Изотопы нептуния (  93 Np )
Основные изотопы [1]Разлагаться
избытокпериод полураспада ( t 1/2 )режимпродукт
235 Нпсинт396,1 дн.α231 Па
ε235 У
236 Нпсинт1,54 × 10 5  летε236 У
β 236 Pu
α232 Па
237 Нпслед2,144 × 10 6  летα233 Па
239 Нпслед2.356 дн.β 239 Pu

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]

Список изотопов


Нуклид
[n 1]
ЗНИзотопная 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]
93126219.03162(9)0,15+0,72
−0,07
 РС
α215 Па(9/2−)
220
Нп
[3]
93127220.03254(21)#25+14
−7
 мкс
α216 Па1−#
222
Нп
[6]
93129380+260
−110
 нс
α218 Па1−#
223
Нп
[7]
93130223.03285(21)#2.15+100
−52
 мкс
α219 Па9/2−
224
Нп
[8]
93131224.03422(21)#38+26
−11
 мкс
α (83%)220м1 Па1−#
α (17%)220м2 Па
225
Нп
93132225.03391(8)6(5) мсα221 Па9/2−#
226
Нп
93133226.03515(10)#35(10) мсα222 Па
227
Нп
93134227.03496(8)510(60) мсα (99,95%)223 Па5/2−#
β + (.05%)227 У
228
Нп
93135228.03618(21)#61,4(14) сβ + (59%)228 У
α (41%)224 Па
β + , СФ (.012%)(различный)
229
Нп
93136229.03626(9)4.0(2) минα (51%)225 Па5/2+#
β + (49%)229 У
230
Нп
93137230.03783(6)4.6(3) минβ + (97%)230 У
α (3%)226 Па
231
Нп
93138231.03825(5)48,8(2) минβ + (98%)231 У(5/2)(+#)
α (2%)227 Па
232
Нп
93139232.04011(11)#14,7(3) минβ + (99,99%)232 У(4+)
α (.003%)228 Па
233
Нп
93140233.04074(5)36.2(1) минβ + (99,99%)233 У(5/2+)
α (.001%)229 Па
234
Нп
93141234.042895(9)4.4(1) дβ +234 У(0+)
234м
Нп
[9]
~9 мин.ЭТО234 Нп5+
ЕС234 У
235
Нп
93142235.0440633(21)396.1(12) дЕС235 У5/2+
α (.0026%)231 Па
236
Нп
[н 9]
93143236.04657(5)1,54(6)×10 5  летЕС (87,3%)236 У(6−)
β (12,5%)236 Pu
α (.16%)232 Па
236м
Нп
60(50) кэВ22,5(4) чЕС (52%)236 У1
β (48%)236 Pu
237
Нп
[н 10]
93144237.0481734(20)2,144(7)×10 6  летα233 Па5/2+След [n 11]
СФ (2×10−10 % )(различный)
КД (4×10−12 % )207 Тл
30 Мг
238
Нп
93145238.0509464(20)2.117(2) гβ 238 Pu2+
238м
Нп
2300(200)# кэВ112(39) нс
239
Нп
93146239.0529390(22)2.356(3) дβ 239 Pu5/2+След [n 11]
240
Нп
93147240.056162(16)61,9(2) минβ 240 Пу(5+)След [n 12]
240м
Нп
20(15) кэВ7.22(2) минβ (99,89%)240 Пу1(+)
ИТ (.11%)240 Нп
241
Нп
93148241.058349(33) [10]13.9(2) минβ 241 Pu(5/2+)
242
Нп
93149242.061738(87) [10]2.2(2) минβ 242 Pu(1+)
242м
Нп
0(50)# кэВ5.5(1) мин6+#
243
Нп
93150243.06428(3)#1.85(15) минβ 243 Pu(5/2−)
244
Нп
93151244.06785(32)#2.29(16) минβ 244 Pu(7−)
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы:
  1. ^ m Np – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
    Компакт-диск:Распад кластера
    ЕС:Захват электронов
    ЭТО:Изомерный переход
    СФ:Спонтанное деление
  5. ^ Жирный курсивный символ как дочерний – Дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  7. ^ ab # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  8. ^ Самое тяжелое известное ядро ​​по состоянию на 2019 год [обновлять], которое находится за пределами протонной границы .
  9. ^ Делящийся нуклид
  10. ^ Наиболее распространенный нуклид
  11. ^ ab Образуется при захвате нейтронов в урановой руде.
  12. ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu

Актиниды против продуктов деления

Актиниды [11] по цепочке распадаДиапазон периода полураспада
( а )
Продукты деления 235 U по выходу [ 12]
4 н4 н + 14 н + 24 н + 34,5–7%0,04–1,25%<0,001%
228 Ра4–6 утра155 Euþ
248 Бк[13]> 9 утра
244 смƒ241 Puƒ250 Кф227 Ак10–29 утра90 Ср85 Кр113m Кдþ
232 Uƒ238 Puƒ243 смƒ29–97 а137С151 Смþ121м Сн
249 Кфƒ242m Amƒ141–351 а

Ни один из продуктов деления не имеет периода полураспада
в диапазоне 100 лет–210 тысяч лет...

241 Амƒ251 Кфƒ[14]430–900 а
226 Ра247 Бк1,3–1,6 тыс. лет назад
240 Пу229 Тыс246 смƒ243 Амƒ4,7–7,4 тыс. лет назад
245 смƒ250 см8,3–8,5 тыс. лет назад
239 Puƒ24,1 тыс. лет назад
230 Ты231 Па32–76 тыс. лет назад
236 Нпƒ233 Uƒ234 У150–250 тыс. лет назад99 тк126 Сн
248 см242 Pu327–375 тыс. лет назад79 се
1,33 млн лет назад135 Cs
237 Нпƒ1,61–6,5 млн лет назад93 Зр107 Пд
236 У247 смƒ15–24 млн лет назад129 Я
244 Pu80 млн лет назад

... и не более 15,7 млн ​​лет назад [15]

232 Т238 У235 Uƒ№0,7–14,1 млрд лет

Известные изотопы

Нептуний-235

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

Нептуний-236 имеет 143 нейтрона и период полураспада 154 000 лет. Он может распадаться следующими способами:

  • Захват электронов : энергия распада составляет 0,93 МэВ, а продукт распада — уран-236 . Обычно он распадается (с периодом полураспада 23 миллиона лет) до тория-232 .
  • Бета-излучение : энергия распада составляет 0,48 МэВ, а 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 распадается через несколько лет до свинца-208 .
  • Альфа-излучение : энергия распада составляет 5,007 МэВ, а продукт распада — протактиний-232 . Он распадается с периодом полураспада 1,3 дня до урана-232.

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]

Нептуний-237

Схема распада нептуния-237 (упрощенная)

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 ).

Запасы отработанного ядерного топлива

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 .

Сырье для238
Пу
производство

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]

Нехватка237
Нп
запасы

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

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]

Ссылки

  1. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ Peppard, DF; Mason, GW; Gray, PR; Mech, JF (1952). «Встреча серии (4n + 1) в природе» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 74 (23): 6081– 6084. doi :10.1021/ja01143a074.
  3. ^ ab Zhang, ZY; Gan, ZG; Yang, HB; et al. (2019). "Новый изотоп 220 Np: исследование надежности замыкания оболочки N = 126 в нептунии". Physical Review Letters . 122 (19): 192503. Bibcode : 2019PhRvL.122s2503Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.192503. PMID  31144958. S2CID  169038981.
  4. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, Ф.Г.; Хуан, В.Дж.; Наими, С.; Сюй, Х. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030003-1 – 030003-442 . doi :10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ Yang, H; Ma, L; Zhang, Z; Yang, C; Gan, Z; Zhang, M; et al. (2018). «Свойства альфа-распада полумагического ядра 219Np». Physics Letters B. 777 : 212– 216. Bibcode : 2018PhLB..777..212Y. doi : 10.1016/j.physletb.2017.12.017 .
  6. ^ Ma, L.; Zhang, ZY; Gan, ZG; et al. (2020). «Короткоживущий α-излучающий изотоп 222 Np и стабильность магической оболочки N=126». Physical Review Letters . 125 (3): 032502. Bibcode : 2020PhRvL.125c2502M. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.032502. PMID  32745401. S2CID  220965400.
  7. ^ Сан, MD; и др. (2017). «Новый короткоживущий изотоп 223Np и отсутствие замыкания подоболочки Z = 92 вблизи N = 126». Physics Letters B. 771 : 303–308 . Bibcode : 2017PhLB..771..303S. doi : 10.1016/j.physletb.2017.03.074 .
  8. ^ Хуан, TH; и др. (2018). "Идентификация нового изотопа 224Np" (pdf) . Physical Review C. 98 ( 4): 044302. Bibcode : 2018PhRvC..98d4302H. doi : 10.1103/PhysRevC.98.044302. S2CID  125251822.
  9. ^ Асаи, М.; Суэкава, И.; Хигаси, М.; и др. (2020). Открытие изомера 234 Np и его свойства распада (PDF) (Отчет) (на японском языке).
  10. ^ ab Niwase, T.; Watanabe, YX; Hirayama, Y.; et al. (2023). "Открытие нового изотопа 241U и систематические высокоточные измерения атомной массы нейтронно-избыточных ядер Pa-Pu, полученных в результате реакций многонуклонной передачи" (PDF) . Physical Review Letters . 130 (13): 132502-1 – 132502-6 . doi :10.1103/PhysRevLett.130.132502. PMID  37067317. S2CID  257976576.
  11. ^ 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 ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
  12. ^ В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  13. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf 248 обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β − можно установить на уровне около 10 4 [лет]. Альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]».
  14. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
  15. ^ Исключая « классически стабильные » нуклиды с периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада 232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада 113Cd составляет восемь квадриллионов лет.
  16. ^ Заключительный отчет, Оценка данных о безопасности ядерной критичности и пределов содержания актинидов при транспортировке (PDF) (Отчет). Республика Франция, Институт радиационной защиты и ядерной безопасности, Департамент предотвращения и изучения аварий. Архивировано из оригинала (PDF) 19 мая 2011 г.
  17. ^ ab Reed, BC (2017). «Исследование потенциальной возможности создания ядерного оружия с помощью ядерной бомбы на основе нуклидов, отличных от 235 U и 239 Pu». American Journal of Physics . 85 : 38–44 . doi :10.1119/1.4966630.
  18. ^ Анализ повторного использования урана, извлеченного из переработки отработанного топлива коммерческих легководных реакторов, Министерство энергетики США, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  19. ^ ** Юкка Лехто; Сяолинь Хоу (2011). "15.15: Нептуний". Химия и анализ радионуклидов (1-е изд.). John Wiley & Sons . 231. ISBN 978-3527633029.
  20. ^ ab Jerome, SM; Ivanov, P.; Larijani, C.; Parker, DJ; Regan, PH (2014). «Производство нептуния-236g». Журнал экологической радиоактивности . 138 : 315–322 . doi :10.1016/j.jenvrad.2014.02.029. PMID  24731718.
  21. ^ P. Weiss (26 октября 2002 г.). «Neptunium Nukes? Малоизученный металл становится критическим». Science News . 162 (17): 259. doi :10.2307/4014034. JSTOR  4014034. Архивировано из оригинала 26 мая 2024 г. Получено 7 ноября 2013 г.
  22. ^ Witze, Alexandra (2014-11-27). «Ядерная энергетика: отчаянные поиски плутония». Nature . 515 (7528): 484– 486. Bibcode :2014Natur.515..484W. doi : 10.1038/515484a . PMID  25428482.
  23. ^ "Периодическая таблица элементов: LANL - Нептуний". Лос-Аламосская национальная лаборатория . Получено 2013-10-13 .
  24. ^ [Дозиметрия пленочных значков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере, Комитет по дозиметрии пленочных значков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере, Комиссия по инженерным и техническим системам, Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет. стр. 24-35]
  25. ^ Граничный анализ эффектов фракционирования радионуклидов в выпадениях при оценке доз облучения ветеранов атомной войны DTRA-TR-07-5. 2007
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Изотопы_нептуния&oldid=1269874459"