Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение нептуний среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 155 pm — это 0,155 нм, поэтому около 3,23 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Нептуний находится в жидком состоянии в диапазоне 3383 K — от 917 K до 4300 K.
История
Первый трансурановый элемент, полученный бомбардировкой урана нейтронами в 1940 году.
Edwin McMillan и Philip Abelson из Калифорнийского университета в Беркли вошли в историю, открыв первый трансурановый элемент 27 мая 1940 года. Это выдающееся достижение открыло путь к целому новому классу сверхтяжёлых элементов.
Инновация в использовании циклотрона: Используя мощный циклотрон Беркли, McMillan бомбардировал уран-238 нейтронами, рассчитывая получить больше изотопов урана. Однако вместо этого учёные обнаружили загадочные закономерности радиоактивного распада, которые не соответствовали ни одному известному элементу.
Химическое расследование: Abelson присоединился к проекту и с помощью тщательного химического анализа отделил неизвестный элемент от урана. Они обнаружили, что этот новый элемент обладает химическими свойствами, сходными со свойствами урана, но имеет отличия, доказывающие, что это элемент 93.
Планетарное вдохновение: Первооткрыватели назвали элемент «нептуний» в честь планеты Нептун, следуя традиции, установленной ураном (названным в честь Урана). Поскольку Нептун — следующая после Урана планета Солнечной системы, нептуний стал следующим после урана элементом в периодической таблице.
Секретность военного времени: Открытие изначально держали в секрете из-за Второй мировой войны и Манхэттенского проекта. Учёные поняли, что если нептуний можно получить из урана, это может привести к созданию других синтетических элементов с потенциальным военным применением.
Научная революция: Это открытие доказало, что элементы тяжелее урана могут существовать и синтезироваться в лаборатории, совершив революцию в ядерной физике и химии. В 1951 году за это открытие McMillan получил Нобелевскую премию по химии.
Сложность обнаружения: Команде пришлось обнаружить нептуний несмотря на его относительно короткий период полураспада и присутствие гораздо более распространённого урана. Инновационное применение методов химического разделения и обнаружения излучения стало основой для открытия всех последующих трансурановых элементов.
Применение
Системы обнаружения нейтронов: Нептуний-237 служит важнейшим компонентом современного оборудования для обнаружения нейтронов, используемого на ядерных объектах по всему миру. Его уникальные ядерные свойства делают его незаменимым для мониторинга потока нейтронов в исследовательских реакторах и помогают учёным понимать сложные ядерные реакции.
Исследования ядерного топливного цикла: Учёные используют нептуний для изучения поведения актиноидов в ядерных топливных циклах. Эти исследования необходимы для разработки более безопасных и эффективных технологий ядерной энергетики, а также для понимания долгосрочных стратегий обращения с ядерными отходами.
Радиоизотопные энергетические системы: Нептуний-238 рассматривается как перспективное топливо для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (RTG) в миссиях в дальний космос. Хотя в настоящее время он не используется на практике, продолжаются исследования его потенциала для энергоснабжения космических аппаратов за пределами досягаемости солнечной энергии.
Защита от космического излучения: Исследования нептуния помогают учёным понять, как тяжёлые элементы ведут себя под воздействием интенсивного космического излучения, способствуя разработке более эффективной радиационной защиты для длительных космических миссий к Марсу и за его пределы.
Фундаментальная физика: Изотопы нептуния используются в передовых исследованиях для понимания пределов ядерной стабильности и свойств сверхтяжёлых элементов. Эти исследования расширяют границы наших знаний об атомной структуре и ядерной физике.
Химические исследования: Будучи первым трансурановым элементом, нептуний служит моделью для изучения химического поведения всего ряда актиноидов, помогая химикам предсказывать свойства ещё более тяжёлых и экзотических элементов.
Отслеживание ядерных материалов: Признаки присутствия нептуния помогают экспертам по ядерной криминалистике прослеживать происхождение и историю ядерных материалов, играя важную роль в обеспечении ядерной безопасности и предотвращении распространения ядерного оружия по всему миру.
Стандарт для исследовательских лабораторий: Нептуний-237 в основном используется как эталонный стандарт в лабораториях ядерных исследований для калибровки оборудования обнаружения и изучения химии актиноидов. Его длительный период полураспада (2.14 миллиона лет) делает его ценным для долгосрочных исследовательских проектов.
Предшественник для получения плутония: На специализированных ядерных объектах нептуний-237 может превращаться в плутоний-238 под воздействием нейтронов, обеспечивая источник Pu-238 для космических применений и медицинских устройств.
Применение в качестве источника нейтронов: Небольшие количества нептуния используются в нейтронно-активационном анализе, помогая учёным определять состав различных материалов по излучению, испускаемому при поглощении нейтронов.
Учебные демонстрации: Чрезвычайно малые, тщательно контролируемые образцы иногда используются на углублённых университетских курсах физики для демонстрации свойств трансурановых элементов, хотя это требует строгих протоколов безопасности.
Важное примечание: Нептуний не применяется в потребительских товарах из-за его радиоактивности и редкости. Все виды применения ограничены специализированными исследовательскими объектами, располагающими надлежащими протоколами радиационной безопасности.
Откуда он происходит
0 мг/кг земной коры · более распространён, чем 0% элементов
Отсутствие в природе: Нептуний не встречается на Земле в обнаруживаемых количествах. Хотя следовые количества теоретически могут образовываться в залежах урановых руд в результате редких ядерных реакций, эти количества настолько ничтожны, что нептуний считается полностью синтетическим.
Синтез в циклотроне: Нептуний получают в ускорителях частиц, бомбардируя уран-238 нейтронами или дейтронами. Наиболее распространённый метод включает нейтронное облучение U-238, в результате которого образуется U-239, затем подвергающийся бета-распаду с образованием Np-239.
Побочный продукт ядерного реактора: Небольшие количества нептуния образуются как побочный продукт в ядерных реакторах при захвате нейтронов ядерным топливом из урана. Однако эти количества минимальны, и для их выделения требуется сложная переработка.
Ограниченные мировые поставки: Только несколько специализированных объектов по всему миру способны производить нептуний; общий объём мирового производства измеряется граммами в год. Основными источниками являются США, Россия и несколько европейских объектов.
Стоимость и редкость: Из-за синтетической природы и сложного процесса производства нептуний чрезвычайно дорог в получении — его стоимость составляет тысячи долларов за грамм. Это ограничивает его применение только важнейшими исследовательскими задачами.
Обращение
Нептуний радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
Альфа-излучатель: Нептуний-237 испускает опасное альфа-излучение с периодом полураспада 2.14 миллиона лет. Хотя альфа-частицы не могут проникнуть через кожу, при вдыхании или проглатывании пыли нептуния они вызывают тяжёлые внутренние повреждения.
Опасность для дыхательной системы: Частицы нептуния могут задерживаться в лёгочной ткани, вызывая длительное радиационное воздействие и значительно повышая риск развития рака. Даже микроскопические количества представляют серьёзную угрозу для здоровья.
Средства защиты: Работа с нептунием требует специализированных защитных объектов, защитных костюмов, респираторов и непрерывного контроля воздуха для предотвращения вдыхания или контакта с кожей.
Только для уполномоченного персонала: С нептунием должны работать только обученные специалисты-ядерщики, имеющие соответствующую лицензию и прошедшие обширную подготовку по безопасности. Все работы должны проводиться на специально спроектированных ядерных объектах с несколькими защитными барьерами.
Аварийные процедуры: На объектах должны действовать процедуры немедленной дезактивации и поддерживаться прямая связь со специализированными медицинскими бригадами, обученными лечению радиационного поражения.
Краткие ответы
Нептуний (символ Np) — элемент 93 в периодической таблице, представитель семейства актиноид в 7 периоде. Первый трансурановый элемент, полученный бомбардировкой урана нейтронами в 1940 году. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s²; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2.Нептуний плавится при 917 K (643.9 °C) и кипит при 4300 K (4026.9 °C).
У Нептуний нет стабильных изотопов, поэтому для него не существует стандартной атомной массы. Указанное значение 237 — массовое число наиболее долгоживущего известного изотопа.
Плотность Нептуний составляет 20.45 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Нептуний примерно в 20.5× тяжелее.
Электроотрицательность Нептуний по шкале Полинга составляет 1.36. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Нептуний был открыт в 1940 году McMillan & Abelson. Назван в честь планета Нептун, следующая от Урана дальше от Солнца.
Нептуний практически не встречается в природе на Земле — его получают в реакторе или ускорителе.
Да. Нептуний не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.