镎是什么?
镎(符号Np)是元素周期表中的第93号元素,属于7周期的锕系元素。 第一种超铀元素,于1940年用中子轰击铀制得。 在室温下为固态,并具有放射性。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图显示镎在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径155 pm——即0.155 nm,因此大约3.23百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
镎在3383 K的范围内呈液态,温度从917 K到4300 K。
背后的故事
第一种超铀元素,于1940年用中子轰击铀制得。
埃德温·麦克米伦和菲利普·艾贝尔森于1940年5月27日在加州大学伯克利分校发现了第一个超铀元素,创造了历史。这一突破性成就开启了超重元素这一全新类别。
回旋加速器创新:麦克米伦使用伯克利分校强大的回旋加速器,用中子轰击铀-238,原本预计会生成更多铀同位素。然而,他们观察到了神秘的放射性衰变模式,与任何已知元素都不相符。
化学侦查工作:艾贝尔森加入项目后,利用精密的化学分析将未知元素从铀中分离出来。他们发现,这种新元素的化学性质类似于铀,但又存在明显差异,证明它是第93号元素。
行星启发:发现者以海王星为依据,将该元素命名为“neptunium”,延续了铀以天王星命名的模式。由于海王星是太阳系中位于天王星之外的下一颗行星,镎便成为元素周期表中位于铀之后的下一个元素。
战时保密:由于第二次世界大战和曼哈顿计划,这一发现最初处于保密状态。科学家意识到,如果能够从铀中制造出镎,就可能进一步合成其他具有潜在军事用途的人工元素。
科学革命:这一发现证明了比铀更重的元素可以存在,并且能够在实验室中合成,从而彻底改变了核物理学和化学。麦克米伦因此于1951年获得诺贝尔化学奖。
探测挑战:尽管镎的半衰期相对较短,且周围存在数量多得多的铀,该团队仍必须探测到镎。他们创新使用的化学分离技术和辐射探测方法,成为发现随后所有超铀元素的基础。
用途
中子探测系统:镎-237是全球核设施所使用的先进中子探测设备中的关键组件。其独特的核性质使其在研究堆中监测中子通量以及帮助科学家理解复杂核反应方面具有不可替代的价值。
核燃料循环研究:科学家使用镎研究锕系元素在核燃料循环中的行为。这项研究对于开发更安全、更高效的核能技术以及理解长期核废物管理策略至关重要。
放射性同位素电源系统:镎-238有望成为深空任务中放射性同位素温差发电机(RTG)的潜在燃料。尽管目前尚未投入实际运行使用,但针对其为超出太阳能覆盖范围的航天器提供动力的潜力,研究仍在继续。
太空辐射屏蔽:对镎的研究有助于科学家了解重元素在强烈宇宙辐射下的行为,并推动开发用于火星及更远距离长期太空任务的更先进辐射屏蔽技术。
基础物理学:镎同位素被用于前沿研究,以了解核稳定性的极限以及超重元素的性质。这项研究拓展了我们对原子结构和核物理学的认识边界。
化学研究:作为第一个超铀元素,镎可作为研究整个锕系元素系列化学行为的模型,帮助化学家预测更重、更特殊元素的性质。
核材料追踪:镎的特征信号帮助核取证专家追溯核材料的来源和历史,在全球核安全与防扩散工作中发挥关键作用。
研究实验室标准物质:镎-237主要作为核研究实验室中的参考标准,用于校准探测设备和研究锕系元素化学。其较长的半衰期(214万年)使其适用于长期研究项目。
钚生产的前体:在专门的核设施中,镎-237可通过中子轰击转化为钚-238,为太空应用和医疗设备提供Pu-238来源。
中子源应用:少量镎用于中子活化分析,科学家通过分析材料吸收中子时发出的辐射,确定各种材料的组成。
教学演示:在高等大学物理课程中,有时会使用极少量且受到严格控制的样品,演示超铀元素的性质,但这需要完善的安全规程。
重要提示:由于镎具有放射性且十分稀有,因此没有面向消费者的用途。所有用途均限于配备适当辐射安全规程的专业研究设施。
来源
地壳中含量为0 mg/kg · 比0%的元素更丰富
不存在天然存在:在地球上能够检测到的数量范围内,镎并不天然存在。虽然理论上铀矿床中可能通过罕见核反应产生痕量镎,但这些数量微小到几乎无法测量,因此镎被认为是完全由人工合成的元素。
回旋加速器合成:镎是在粒子加速器中通过用中子或氘核轰击铀-238制得的。最常见的方法是用中子轰击U-238,生成U-239,随后U-239发生β衰变形成Np-239。
核反应堆副产物:铀燃料发生中子俘获时,核反应堆会产生少量镎作为副产物。然而,这些数量极少,需要经过复杂处理才能分离出来。
全球供应有限:全球只有少数专业设施能够生产镎,全球年总产量以克计。美国、俄罗斯以及少数欧洲设施是主要来源。
成本与稀有性:由于镎是人工合成的,且生产过程复杂,其生产成本极高,每克需花费数千美元。因此,它的用途仅限于必要的研究应用。
处理
镎具有放射性。 它没有稳定同位素——每个原子核都会衰变。的处理需要适当的屏蔽和许可。
α辐射发射体:镎-237会发出危险的α辐射,半衰期为2.14 million years。虽然α粒子无法穿透皮肤,但如果吸入或摄入镎尘,会造成严重的内部损伤。
呼吸系统危害:镎颗粒可能沉积在肺组织中,造成长期辐射暴露,并显著增加患癌风险。即使是微量镎也会对健康构成严重威胁。
防护设备:处理镎需要专业的密闭设施、防护服、呼吸器以及持续的空气监测,以防止吸入或皮肤接触。
仅限授权人员:只有经过培训、获得适当许可并接受全面安全培训的核专业人员才能处理镎。所有工作都必须在配备多重密闭屏障的专门核设施中进行。
应急程序:设施必须制定即时去污规程,并与接受过辐射暴露治疗专业培训的医疗团队保持直接通信。
快速解答
镎(符号Np)是元素周期表中的第93号元素,属于7周期的锕系元素。 第一种超铀元素,于1940年用中子轰击铀制得。 在室温下为固态,并具有放射性。
[Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s²,共有7个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 22, 9, 2。镎在917 K(643.9 °C)熔化,在4300 K(4026.9 °C)沸腾。
镎没有稳定同位素,因此没有标准原子量。所列数值237是其已知寿命最长同位素的质量数。
镎的密度为20.45 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此镎块约重20.5倍。
镎的鲍林电负性为1.36。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
镎由McMillan & Abelson于1940年发现。 它以行星 Neptune,位于 Uranus 更外侧命名。
镎在地球上不会以任何有意义的数量自然存在——它是在反应堆或加速器中制得的。
是。镎没有稳定同位素——它的每个原子核都会衰变。 自然界中会以较重元素的衰变产物形式存在微量该元素。