93

Np

Neptun (łac. neptunium, symbol Np) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców o liczbie atomowej 93. Jest radioaktywnym pierwiastkiem metalicznym, pierwszym przedstawicielem transuranowców. Jego najtrwalszym izotopem jest Np o czasie połowicznego rozpadu ok. 2 mln lat, powstający w kilogramowych ilościach jako produkt uboczny pracy reaktorów jądrowych, np. podczas produkcji plutonu. Bardzo małe ilości tego pierwiastka można znaleźć w rudach uranowych.

Historia

Układ okresowy pierwiastków w roku 1871

W układzie okresowym pierwiastków opublikowanym w 1869 przez Dmitrija Mendelejewa brakowało grupy aktynowców. Najcięższym znanym pierwiastkiem był uran, umieszczony błędnie w VI grupie. Wraz z poznawaniem kolejnych pierwiastków wypełniających puste miejsca w układzie okresowym spodziewano się odkrycia pierwiastka cięższego od uranu. Przewidywania jego właściwości chemicznych były oparte o częściowo błędny układ okresowy, w którym tor był umieszczony poniżej hafnu, protaktyn poniżej tantalu, a uran poniżej wolframu. Pierwiastek o numerze 93, nazywany wstępnie eka-renem, powinien znajdować się w grupie manganowców i mieć właściwości chemiczne zbliżone do manganu lub renu. Z tego powodu próby wyizolowania pierwiastka 93 z minerałów były skazane na niepowodzenie, chociaż później, w 1952 roku, neptun został wykryty w śladowych ilościach w rudach uranu.

W roku 1934 Enrico Fermi ogłosił, że w wyniku bombardowania uranu neutronami i późniejszych rozpadów beta udało mu się otrzymać pierwiastek 93. W tym samym roku ukazała się praca Idy Noddack, w której zakwestionowała ona wyniki Fermiego z powodu nieuwzględnienia możliwości istnienia w próbce pierwiastków lżejszych od uranu, jednocześnie sugerując, że jądra atomowe mogą być rozbijane na kilka części, co historycznie miało większe znaczenie, niż sam fakt obalenia odkrycia. Fakt rozpadu ciężkich jąder po przyłączeniu neutronu został potwierdzony w roku 1939 przez Lise Meitner.

Neptun został otrzymany ostatecznie przez Edwina McMillana i Philipa Abelsona w roku 1940, w amerykańskim Lawrence Berkeley National Laboratory na University of California w Berkeley. Zespół wyprodukował izotop neptunu Np o T1/2 = 2,35 dnia poprzez bombardowanie uranu za pomocą powolnych neutronów:

Jest to pierwszy otrzymany sztucznie transuranowiec, czyli pierwiastek cięższy od uranu. W układzie okresowym znajduje się bezpośrednio za uranem, co zainspirowało odkrywców do nazwania go "neptun", przez analogię do Układu Słonecznego, gdzie planeta Neptun jest kolejną planetą po Uranie.

W roku 1942 Arthur Wahl i Glenn Seaborg otrzymali wspólnie Np, który jest najtrwalszym izotopem neptunu, o okresie półtrwania T1/2 = 2,144 mln lat.

W roku 1950 poprzez bombardowanie deuteronami izotopów U, U i U otrzymano izotopy neptunu Np, Np i Np. Kolejne izotopy, Np, Np i Np, uzyskano w roku 1958 w wyniku bombardowania deuteronami wysoko wzbogaconego U.

Izotopy

 Osobny artykuł: Lista izotopów neptunu.

Wszystkie 22 znane izotopy neptunu są promieniotwórcze. Spośród nich za stosunkowo stabilne uważa się trzy:

Występowanie w przyrodzie

Najtrwalszym izotopem neptunu jest Np o okresie półtrwania T1/2 = 2,144 mln lat, co jest czasem bardzo krótkim w stosunku do wieku Ziemi wynoszącego ok. 4,5 mld lat. Z tej przyczyny pierwotny neptun z okresu powstawania Ziemi uległ praktycznie całkowitemu rozpadowi i nie występuje obecnie w skorupie ziemskiej. Śladowe ilości neptunu Np i Np są znajdowane w przyrodzie jako produkty rozpadu pochodzące z reakcji jądrowych zachodzących w rudach uranu, np. w wyniku bombardowania U neutronami powstałymi przy spontanicznym rozszczepieniu U. Maksymalny stosunek Np do uranu w jego rudach osiąga około 10:1. Podstawowym źródłem neptunu (podobnie jak innych transuranowców) w biosferze są wybuchy jądrowe w atmosferze. Np został wykryty w glebie w pobliżu miejsc testów broni jądrowej oraz w ściekach i osadach z elektrowni atomowych. Na podstawie analizy wyników dotyczących globalnego opadu promieniotwórczego oszacowano, że zostało wytworzone 2500 kg Np, co jest porównywalne do masy wytworzonego tą samą drogą plutonu, tj. 4200 kg Pu i 700 kg Pu. Zawartość Np na Ziemi wzrasta, co jest efektem wytworzenia i rozprzestrzenienia przez człowieka różnych krócej żyjących izotopów promieniotwórczych, ulegających przemianom jądrowym prowadzącym do neptunu, np.:

Neptun w glebie

Zawartość neptunu w glebie jest bardzo niska. Stężenie Np w skażonym opadem promieniotwórczym obszarze jest mniejsze niż 1% stężenia Pu, co odpowiada promieniowaniu rzędu 10 Ci/g. Neptun najczęściej występuje w środowisku w postaci tlenku neptunu(IV) NpO2, chociaż mogą być obecne także inne jego związki. Neptun ogólnie jest bardziej mobilny od innych transuranowców, takich jak pluton, ameryk czy kiur, i może przenikać wraz z sączącą się wodą do niższych warstw gleby. Neptun z łatwością przylega do cząstek gleby, co powoduje jego około 5-krotne zatężenie w stosunku do stężenia w wodzie międzywęzłowej gleby. Jeszcze większe stężenia neptunu mogą powstawać w glebach gliniastych. Stężenie neptunu w roślinach, z powodu łatwej przyswajalności, jest takie samo jak w glebie.