البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع بروتكتينيوم بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق مقياس
Radius 179 pm — that is 0.179 nm, so about 2793 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
بروتكتينيوم is liquid over a 2455 K window, from 1845 K to 4300 K.
القصة
One of the rarest and most expensive natural elements — extracting 125 g once cost half a million dollars.
للبروتكتينيوم تاريخ اكتشاف معقد يتضمن ادعاءات متعددة متنافسة. عُثر على أول دليل عليه عام 1913 على يد Kazimierz Fajans وOswald Helmuth Göhring، وهما باحثان ألمانيان حددا نظيرًا قصير العمر (Pa-234m) وسمياه "brevium" بسبب عمر نصفه القصير الذي يزيد قليلًا على دقيقة واحدة.
اكتشف العلماء البريطانيون البروتكتينيوم-231 الأطول عمرًا والأهم عام 1917 على يد Frederick Soddy وJohn Cranston، وذلك بصورة مستقلة عن Otto Hahn وLise Meitner في ألمانيا. وكانت المجموعتان تدرسان سلسلة تحلل اليورانيوم وحددتا النظير نفسه طويل العمر.
تحقق أول عزل ناجح لمعدن البروتكتينيوم عام 1927 على يد Aristid von Grosse، الذي حصل على 2 milligrams من Pa₂O₅ من نحو 2 tons من بقايا البتشبلند. ومثّل ذلك تتويجًا لسنوات من العمل الدقيق على الفصل الكيميائي، شمل آلاف عمليات التبلور التجزيئي.
تغير اسم العنصر من "brevium" إلى "protactinium" (بمعنى "قبل الأكتينيوم") عندما جرى توصيف النظير الأطول عمرًا Pa-231. ويعكس هذا الاسم موقعه في سلسلة تحلل اليورانيوم-235، حيث يتحلل ليكوّن الأكتينيوم-227، ومن ثم فهو "أصل" الأكتينيوم.
جسّد الاكتشاف التعاون والمنافسة الدوليين معًا في الكيمياء الإشعاعية في أوائل القرن العشرين. فعلى الرغم من عمل العلماء خلال الحرب العالمية الأولى، تبادل علماء من بلدان مختلفة المعلومات وبنوا على أعمال بعضهم بعضًا، مما أظهر الطابع العالمي للاستقصاء العلمي حتى في أوقات الصراع.
تطلب عزل البروتكتينيوم تطوير تقنيات كيميائية إشعاعية جديدة للتعامل مع كميات صغيرة للغاية من المواد شديدة النشاط الإشعاعي. وأصبحت الأساليب المطورة لفصل البروتكتينيوم تقنيات أساسية مستخدمة في الكيمياء النووية، ولا تزال تؤثر في الممارسات الحديثة للكيمياء الإشعاعية.
الاستخدامات
يعمل البروتكتينيوم أساسًا بوصفه أداةً بحثية في مختبرات الفيزياء النووية والكيمياء الإشعاعية. ويستخدم العلماء نظائر البروتكتينيوم لدراسة عمليات التحلل النووي، وآليات انبعاث جسيمات ألفا، والخصائص الأساسية لعناصر الأكتينيد. ويجعل موقعه بين الثوريوم واليورانيوم منه عنصرًا مهمًا لفهم الانتقال من العناصر العابرة لليورانيوم الموجودة طبيعيًا إلى العناصر الاصطناعية.
يتمثل أهم تطبيق عملي للبروتكتينيوم في أساليب التأريخ باليورانيوم-بروتكتينيوم للعينات الجيولوجية. وتوفر سلسلة تحلل اليورانيوم-235 إلى البروتكتينيوم-231 طريقة موثوقة لتأريخ الرواسب البحرية وتحديد عمر التكوينات الجيولوجية الممتدة مئات آلاف السنين، وهي مفيدة خصوصًا في أبحاث علم المناخ القديم.
تُعد نظائر البروتكتينيوم مهمة لدراسة أنظمة تحلل ألفا ونظريات البنية النووية. ويستخدم الباحثون البروتكتينيوم-233 ونظائر أخرى لاختبار نماذج الاستقرار النووي، ودراسة تأثير النفق في ميكانيكا الكم أثناء تحلل ألفا، وفهم الخصائص النووية التي تؤثر في معدلات التحلل المشع.
في الكيمياء التحليلية، تُستخدم مركبات البروتكتينيوم متتبعاتٍ ومعاييرَ مرجعية لدراسة السلوك الكيميائي لعناصر الأكتينيد. وتساعد الخصائص الكيميائية الفريدة للعنصر الباحثين على تطوير تقنيات لفصل العناصر المشعة الأخرى وفهم كيمياء الأكتينيد في بيئات كيميائية مختلفة.
تُستخدم كميات صغيرة من البروتكتينيوم في التعليم المتقدم للكيمياء النووية وبرامج تدريب العلماء والفنيين النوويين. ويجعل عمر النصف الطويل نسبيًا له (البروتكتينيوم-231: 32,760 سنة) مناسبًا للتجارب المختبرية المضبوطة التي تدرس التحلل المشع ومبادئ الكيمياء النووية.
تسهم أبحاث البروتكتينيوم في فهم استقرار العناصر فائقة الثقل والتنبؤ بخصائص العناصر التي لم تُكتشف بعد. وتساعد دراسة الخصائص الكيميائية والنووية للبروتكتينيوم على التحقق من صحة النماذج النظرية المستخدمة في التنبؤ بسلوك العناصر الواقعة بعد الجدول الدوري الحالي.
الاستخدام الحديث الأساسي للبروتكتينيوم هو التأريخ الإشعاعي للرواسب البحرية والعينات الجيولوجية. وتُعد طريقة التأريخ Pa-231/U-235 ذات قيمة خاصة لتأريخ المواد التي يتراوح عمرها بين 10,000 و300,000 سنة، مما يسد فجوة مهمة في تقنيات تحديد العمر الجيولوجي.
تستخدم المؤسسات العلمية البروتكتينيوم في أبحاث الكيمياء النووية، ودراسة سلوك الأكتينيد، وتدريب العلماء النوويين. وتجعل خصائصه منه عنصرًا مرجعيًا مهمًا لفهم سلسلة الأكتينيد بأكملها وتطوير تقنيات للتعامل مع المواد المشعة الأخرى.
تساعد نسب البروتكتينيوم في رواسب المحيطات على إعادة بناء الظروف المناخية السابقة وأنماط دوران المحيطات. ويستخدم العلماء نسب Pa-231/Th-230 لدراسة التغيرات في دوران المحيط الأطلسي وفهم كيفية تغير المناخ على المقاييس الزمنية الجيولوجية.
يستخدم الباحثون نظائر البروتكتينيوم لدراسة آليات التحلل النووي واختبار النماذج النظرية للبنية النووية. وتسهم هذه الدراسات في فهمنا الأساسي للنوى الذرية وعمليات التحلل المشع.
مصدره
1.40e-6 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 29% of elements
يوجد البروتكتينيوم طبيعيًا بكميات صغيرة للغاية داخل خامات اليورانيوم، بتركيزات تبلغ عادةً نحو 1-3 أجزاء لكل تريليون. ويتكون بوصفه ناتجًا وسيطًا في سلسلة تحلل اليورانيوم-235، حيث يتحلل اليورانيوم-235 عبر عدة خطوات لينتج في النهاية البروتكتينيوم-231.
يمكن العثور على البروتكتينيوم الطبيعي حيثما توجد رواسب اليورانيوم، بما في ذلك المناطق الرئيسية المنتجة لليورانيوم في كندا وأستراليا وكازاخستان والنيجر والولايات المتحدة. إلا أن كمياته ضئيلة جدًا بحيث يجعل استخراجه من المصادر الطبيعية غير عملي لأي غرض تجاري.
تحتوي الرواسب البحرية على آثار قابلة للقياس من البروتكتينيوم-231 ترسبت على مدى الزمن الجيولوجي نتيجة التحلل الطبيعي لليورانيوم. وعلى الرغم من أن هذه الرواسب مخففة للغاية، فإنها كافية لتطبيقات التأريخ الإشعاعي وأبحاث علم المناخ القديم. وتوفر لباب الرواسب المحيطية المصدر الأساسي للبروتكتينيوم الطبيعي المستخدم في الدراسات العلمية.
يُنتج تقريبًا كل البروتكتينيوم المستخدم في الأبحاث اصطناعيًا في المفاعلات النووية من خلال قذف أهداف الثوريوم-230 بالنيوترونات. وتنتج هذه العملية البروتكتينيوم-231، الذي يمكن فصله كيميائيًا عن مادة الهدف لاستخدامه في التطبيقات العلمية.
يتكون البروتكتينيوم الطبيعي تقريبًا بالكامل من نظير Pa-231 (عمر النصف: 32,760 سنة)، مع آثار من نظائر أقصر عمرًا من سلاسل تحلل مختلفة. ويُقدَّر إجمالي كمية البروتكتينيوم الطبيعي في القشرة الأرضية بأقل من بضع مئات من الكيلوغرامات على مستوى العالم.
التعامل
بروتكتينيوم مشع. It has no stable isotope — every nucleus decays. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.
خطر: البروتكتينيوم مشع وسام للغاية. وتشكل جميع نظائره مخاطر صحية كبيرة بسبب إشعاع ألفا، إذ يبلغ عمر النصف للبروتكتينيوم-231 32,760 سنة، مما يجعله خطر تلوث طويل الأمد.
قد يسبب التعرض للبروتكتينيوم متلازمة الإشعاع الحادة، وزيادة خطر الإصابة بالسرطان، وتلفًا شديدًا للأنسجة. وتكون جسيمات ألفا الناتجة عن تحلل البروتكتينيوم خطرة خصوصًا عند استنشاقها أو ابتلاعها، إذ يمكن أن تسبب تلفًا خلويًا وجينيًا كبيرًا في الأعضاء الداخلية.
يجب التعامل مع البروتكتينيوم فقط في منشآت نووية متخصصة مزودة بالدروع المناسبة ومعدات التعامل عن بُعد وبروتوكولات السلامة الشاملة. ويحتاج العاملون إلى تدريب متقدم على السلامة من الإشعاع ومراقبة صحية مستمرة بسبب المخاطر الشديدة المرتبطة به.
يتطلب أي اشتباه في تلوث بالبروتكتينيوم إخلاءً فوريًا وإجراءات متخصصة لإزالة التلوث. ويجب أن يشارك في الاستجابة للطوارئ مختصون مؤهلون في السلامة الإشعاعية وأخصائيو طب نووي مدربون على التعامل مع حوادث التلوث المشع الشديد.
إجابات سريعة
بروتكتينيوم (symbol Pa) is element 91 on the periodic table, a أكتينيد in period 7. One of the rarest and most expensive natural elements — extracting 125 g once cost half a million dollars. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f² 6d¹ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 electrons respectively.بروتكتينيوم melts at 1845 K (1571.9 °C) and boils at 4300 K (4026.9 °C).
The standard atomic weight of بروتكتينيوم is 231.036 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
بروتكتينيوم has a density of 15.37 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of بروتكتينيوم is about 15.4× heavier.
بروتكتينيوم has a Pauling electronegativity of 1.5. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
بروتكتينيوم was discovered in 1913 by Fajans & Gohring. It is named after greek protos + actinium, "before actinium".
بروتكتينيوم makes up about 1.40e-6 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.
Yes. بروتكتينيوم has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.