اكتشاف عنصر النبتونيوم

عنصر النبتونيوم في الكيمياء عبارة عن عنصر كيميائي برمز Np ورقم ذري يساوي 93 يتواجد في الجدول الدوري ويصنف النبتونيوم على أنه أكتينيد، وهو على شكل مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة.

اكتشاف عنصر النبتونيوم

لقد تمت عملية إنتاج عنصر النبتونيوم لأول مرة من قبل إدوين إم ماكميليان وفيليب إتش أبيلسون اللذين كانا يعملان في جامعة كاليفورنيا الواقعة في بيركلي في عام 1940 ميلادي، ولقد قاموا بإنتاج نظير النبتونيوم 239 وهو نظير للنبتونيوم يبلغ عمره النصفي حوالي 2.4 يوم، وتم ذلك عن طريق قصف اليورانيوم بالنيوترونات البطيئة الحركة.

سمي على اسم كوكب نبتون (وهو الكوكب الذي سمي على اسم إله البحر الروماني)، وهو أيضا الكوكب التالي الذي خرج من الشمس بعد أورانوس، وقد كانت هناك العديد من التقارير الخاطئة المبكرة عن اكتشاف عنصر النبتونيوم، كان أهمها إنريكو فيرمي الذي اعتقد أن قصف اليورانيوم بالنيوترونات متبوعًا بانحلال بيتا سيؤدي إلى تكوين العنصر 93.

في عام 1934 ميلادي، تم قصف ذرات اليورانيوم بالنيوترونات وذكر أنه قد تم إنتاج عنصر 93 وعنصر 94، وفي النهاية قام فيرمي بالفعل بعملية انشطار أو تقسيم لذرات اليورانيوم إلى العديد من النظائر المشعة المتشظية، كما وقد تم نشر تفسير اكتشاف الانشطار وإعلانه لاحقًا من قبل هان وستراسمان على الرغم من أن زميلتهما ليزا مايتنر هي التي قامت بتفسير نتائج التجارب بشكل صحيح.

في عام 1940 ميلادي ومع الإثارة التي وصلت إلى جامعة كاليفورنيا في بيركلي قام البروفيسور إدوين ماكميلان وطالب الدراسات العليا فيليب أبيلسون بعملية قصف لليورانيوم بالنيوترونات المتوسطة (البطيئة) التي ينتجها السيكلوترون، مما أدى إلى عدم “الانشطار” ولكن “الاندماج” للمواد المتفاعلة التي من خلالها تشكل العنصر الجديد 93 والذي أطلقوا عليه اسم “النبتونيوم” وحدث ذلك عن طريق المعادلة التالية:

^-238₉₂U + ¹₀n → ²³⁹₉₂U → ²³⁹₉₃Np + β

كان نظير النبتونيوم 239 أول عنصر عبر اليورانيوم يتم إنتاجه صناعياً، كما أنه أول عنصر أكتينيد عبر اليورانيوم تم اكتشافه، وهذا النظير له عمر نصفي لاضمحلال بيتا يبلغ 2.3565 يومًا، والذي يشكل المنتج الابنة لنظير البلوتونيوم 239 مع عمر نصف يبلغ 24000 سنة.

إن من أكثر نظائر النبتونيوم استقرارًا هو نظير النبتونيوم 237 له عمر نصف يبلغ حوالي 2،144،000 سنة، ويتحلل إلى نظير بروتكتينيوم 233 من خلال عملية اضمحلال ألفا، كما ويستخدم النبتونيوم 237 الذي يتم إنتاجه بكميات جرام كمنتج ثانوي من أجل إنتاج البلوتونيوم في المفاعلات النووية وفي أجهزة الكشف عن النيوترونات.

بمجرد أن يتم اعتباره صناعيًا تمامًا فإنه يتم إنتاج كميات صغيرة جدًا من النبتونيوم بشكل طبيعي في خامات اليورانيوم من خلال تفاعل ذرات اليورانيوم في الخام مع النيوترونات الناتجة عن تحلل ذرات اليورانيوم الأخرى في الخام.

معلومات عامة عن النبتونيوم

• هناك 25 نظيرًا مشعًا معروفًا للنبتونيوم تتراوح الأوزان الذرية من الوزن الذري 225 إلى الوزن الذري 244 مع خمسة منها كنظائر غير مستقرة، أن الأكثر استقرارًا بين هذه النظائر هي النظائر التالية: النظير (Np-237) مع عمر نصف يبلغ 2.14 مليون سنة والنظير (Np-236) بعمر نصف يبلغ 154000 سنة والنظير (Np-235) بعمر نصف 396 يومًا.

• جميع النظائر المتبقية لها فترات نصف عمر أقل من 4.5 أيام ومعظمها أقل من 50 دقيقة، وضع الاضمحلال الأساسي للنظائر الأخف من النظير (237-Np) هو عن طريق عملية التقاط الإلكترون مع قدر كبير من انبعاث ألفا، المنتجات هي في الغالب تكون نظائر اليورانيوم.

• وضع الاضمحلال الأساسي للنظير (Np-237) هو عن طريق عملية اضمحلال ألفا لتشكيل البروتكتينيوم، أما وضع الاضمحلال الأساسي للنظائر الأثقل من النظير (Np-237) هو عن طريق عملية اضمحلال بيتا مكونًا البلوتونيوم.

• النبتونيوم 237 بعد أن يتحلل إلى البروتكتينيوم ثم اليورانيوم يتحلل في النهاية ليشكل نظير البزموث 209 ونظير الثاليوم 205، وعلى عكس معظم النوى الثقيلة الشائعة الأخرى التي تتحلل لتكوين نظائر الرصاص، حيث تُعرف سلسلة الاضمحلال هذه باسم سلسلة النبتونيوم.

• يتم إنتاج معدن النبتونيوم عن طريق تفاعل فلوريد النبتونيوم (NpF3) مع الباريوم السائل أو الغازي أو الليثيوم عند حوالي 1200 درجة مئوية، وغالبًا ما يتم استخراجه من قضبان الوقود النووي المستهلك بكميات بالكيلوغرام.

• معدن النبتونيوم عبارة عن معدن فضي في المظهر متفاعل كيميائيًا ويوجد في ثلاثة متآصلات على الأقل: الأول يكون (α-النبتونيوم) في درجة حرارة الغرفة معيني ويمتلك كثافة مقدارها 20.45 جم لكل سم 3، الثاني يكون (ß ß- النبتونيوم) وفوق 280 درجة مئوية رباعي الزوايا ويمتلك الكثافة (عند 313 درجة مئوية) مقدارها 19.36 جم لكل سم 3، والثالث يكون (γ-النبتونيوم) فوق 577 درجة مئوية مكعب ويمتلك كثافة (عند 600 درجة مئوية) مقدارها 18 جم لكل سم 3.

• يحتوي النبتونيوم على أكبر نطاق سائل من أي عنصر 3363 كلفن، بين نقطة انصهار المعدن ونقطة الغليان، كما أنه الأكثر كثافة من بين جميع الأكتينيدات وخامس الأكثر كثافة من بين جميع العناصر التي تحدث بشكل طبيعي، وتم مؤخرًا اكتشاف سبيكة فائقة التوصيل تعتمد على النبتونيوم باستخدام الصيغة (NpPd5Al2).

• يُعد حدوث الموصلية الفائقة في مركبات النبتونيوم مفاجئًا؛ لأنها غالبًا ما تظهر مغناطيسية قوية والتي عادةً ما تدمر الموصلية الفائقة، ويشكل النبتونيوم مجموعة متنوعة من المركبات بما في ذلك ثلاثي ورباعي هاليدات مثل (NpF3) و (NpF4) و (NpCl4) و (NpBr3) و (NpI3)، وأكاسيد النبتونيوم مثل (Np3O8) و (NpO2) الموجودة أيضًا في نظام الأكسجين واليورانيوم، وسداسي فلوريد النبتونيوم (NpF6) متطاير مثل سداسي فلوريد اليورانيوم.

• في المحلول يُظهر النبتونيوم خمس حالات أكسدة مختلفة وهي التالية: (III و IV و V و VI و VII) مع كون الحالة +5 (V) هي الحالة الأكثر استقرارًا، أيونات المحاليل ذو حالات الأكسدة III و IV هي الأيونات البسيطة (+Np3)  و (+Np4).

• على غرار نظيره من اليورانيوم، حيث تزداد الشحنة على أيونات النبتونيوم يتم توزيعها على كمية أكسجين أكبر، وهكذا فإن Np (V) موجود في محلول مثل (+NpO2) و Np (VI) مثل (NpO22) و Np (VII) عبارة عن أكسجين بهيكل ربما يتضمن أيونات الهيدروكسيد لأنه مستقر فقط في المحاليل الأساسية بقوة.

• تتناقص هذه الأنواع المؤكسجة الأخيرة مع الأتربة النادرة التي تظهر فقط أيونات بسيطة من حالات الأكسدة (II) و (III) و (IV) في المحلول المائي، وفي المحلول يتأكسد Np (III) بسهولة في الهواء ليشكل Np (IV). Np (VII) المستقر في المحاليل الأساسية، كما أنه ينخفض ​​بسرعة إلى Np (VI) إذا أصبح الرقم الهيدروجيني أكثر حمضية، في المحاليل الحمضية يكون (Np +3) أزرق-بنفسجي غامق، و(Np +4) أخضر عشبي و (+NpO2) أخضر زمردي و (++NpO2) لونه خمري فاتح و Np (VII) أخضر داكن في المحاليل الأساسية بشدة.

• النظير (237-Np) بعمر نصف يبلغ 2.14 × 10^6 سنة قابل للانشطار، مما يعني أنه من الممكن أن يتم قصف عنصر النبتونيوم بالنيوترونات ونتيجة لذلك ينتج المزيد من النيوترونات التي تكون حرة في التفاعل مع المواد القريبة ويمكن استخدامها في مفاعلات النيوترونات السريعة أو في الأسلحة النووية، ويستخدم النظير (237-Np) في أجهزة الكشف عن النيوترونات.

• يستخدم النظير (237-Np) في إنتاج النظير (238-Pu) مع نصف عمر مقداره 87.7 سنة، وهو باعث لجسيمات ألفا المستخدمة في المولدات الكهروحرارية ووحدات تسخين النظائر المشعة، وعندما يلتقط النظير (237-Np) نيوترونًا يتحول إلى النظير (238-Np) مع عمر نصف يبلغ 2.117 يومًا والذي يتحلل إلى النظير (238-Pu).