Нептуний и плутоний

Плутоний

Плутоний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).

В таблице справа приведены основные свойства α-Pu — основной аллотропной модификации плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.

История плутония

Изотоп плутония 238Pu был впервые искусственно получен 23 февраля 1941 года группой американских ученых во главе с Гленном Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.

Нахождение плутония в природе

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний (239Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4—15 частей Pu на 1012 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.

Происхождение названия плутоний

В 1930 году астрономический мир был взбудоражен замечательной новостью: открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл, астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе.

На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля.

Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США).

из ядер атомовурана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.

Физические свойства плутония

Существует 15 изотопов плутония — В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:

238Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234U,

Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.

239Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235U,

Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

240Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236U, 241Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241Am, 242Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238U

Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.

Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются.

Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая.

Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).

Применение плутония

Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»).

Биологическая роль плутония

Плутоний высокотоксичен; ПДК для 239Pu в открытых водоемах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3*10−5 Бк/л.

Большинство изотопов плутония обладают высокой величиной плотности ионизации и малой длиной пробега частиц, поэтому его токсичность обусловлена не столько его химическими свойствами (вероятно, в этом отношении плутоний токсичен не более, чем другие тяжелые металлы), сколько ионизирующим действием на окружающие ткани организма.

Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В организме плутоний производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезенке, почках, вызывает рак. Максимально допустимое содержание плутония в организме не должно превышать десятых долей микрограмма.

Художественные произведения связанные с темой плутоний

— Плутоний использовался для машины De Lorean DMC-12 в фильме Назад в будущее как топливо для накопителя потока для перемещения в будущее или в прошлое.

— Из плутония состоял заряд атомной бомбы, взорванной террористами в Денвере, США, в произведении Тома Клэнси «Все страхи мира»

— Кэндзабуро Оэ «Записки пинчранера»

— В 2006 году компанией «Beacon Pictures» был выпущен фильм «Плутоний-239» («Pu-239»)

Дополнительная информация про плутоний

Разделение изотопов

Нептуний химический элемент Np

Нептуний, история открытия. 4 июня 1934 г. итальянский физик Орсо Марио Корбино произнес речь на сессии академии Линчеи.

Он рассказал о нейтронных бомбардировках урана и поисках 93-го элемента, предпринятых физиками Римского университета во главе с Энрико Ферми.

Результаты были столь обнадеживающими, что конец речи звучал так: «По этим успешным экспериментам, за которыми я слежу ежедневно, я полагаю себя вправе заключить, что новый элемент уже получен».

Нептуний

Корбино не преувеличил: новый элемент действительно был получен, однако доказать это не удалось… Тем не менее всемирно известные нейтронные опыты Энрико Ферми навсегда вошли в историю естествознания как первая научно обоснованная попытка синтезировать трансурановый элемент. Попытка, которую, как это ни парадоксально, можно одинаково считать удачной и неудачной.
 

Долгожитель и другие

Существуют три природных радиоактивных семейства — тория-232, урана-235 и урана-238. В наши дни, в эпоху искусственного синтеза изотопов и элементов, физики воссоздали четвертый радиоактивный ряд — семейство нептуния-237.

Помимо «искусственности», это семейство отличают еще две особенности: во-первых, в нем нет изотопов радона и, во-вторых, конечный продукт распада в этом случае не изотоп свинца, а стабильный висмут-209.
Самый долгоживущий изотоп элемента № 93 рождается в интересной ядерной реакции: быстрый нейтрон поражает ядро урана и захватывается им.

Энергия быстрого нейтрона велика, и нуклонное образование уран+нейтрон оказывается возбужденным. В некоторых случаях оно разваливается на два осколка, а иногда из него вылетают один за другим два нейтрона и уносят избыток энергии. Баланс подвести несложно — в ядре остается 237 частиц.

Как-то в середине 60-х годов на мощном дубненском циклотроне У-300 облучили висмутовую мишень ускоренными ядрами неона. В ядерной реакции висмут+неон образовывались ядра изотопа нептуния.

Они испытывали К-захват: ядро нептуния «впитывало» в себя один из электронов атомной оболочки и превращалось в уран.

В некоторых случаях дочернее ядро урана оказывалось на высоком возбужденном уровне (проще говоря, у ядра оказывался большой избыток энергии),и оно распадалось на осколки. Так был открыт новый вид ядерных превращений — деление ядер после К-захвата.

Хорошо изучены ядерные характеристики тринадцати изотопов нептуния — от 229-го до 241-го. Изотопы с большим массовым числом, вплоть до нептуния-257, образуются при взрыве водородной бомбы. Об этом свидетельствует появление в продуктах термоядерного взрыва атомов фермия. Изучить свойства тяжелых нептуниевых ядер пока невозможно: они слишком неустойчивы и переходят в высшие элементы задолго до извлечения радиоактивных продуктов подземного взрыва.

Одна триллионная

Как известно, первые сообщения об открытии элемента N° 93 появлялись в печати задолго до нейтронных опытов Ферми. Однако проходило время и очередной лжеэлемент благополучно закрывали.

Теперь мы знаем: первичный нептуний, родившийся в процессе синтеза элементов солнечной системы, не мог сохраниться: слишком мало время жизни даже самых устойчивых ядер элемента № 93 по сравнению с возрастом Земли.
И все же природный нептуний существует.

Он образуется из ядер урана под действием нейтронного потока космического излучения и нейтронов, рождающихся при спонтанном делении урана-238. Поэтому в урановых рудах можно обнаружить нептуний, но в лучшем случае один атом нептуния-237 приходится на триллион атомов урана. Понятно, что химики первой трети XX в.

, искавшие нептуний в рениевых рудах, не могли рассчитывать на успех. Даже после того, как досконально была изучена химия элемента № 93, в богатых рудах Африки после переработки многих тонн урановой смоляной обманки были замечены лишь слабые следы нептуния…

Попробуем подвести итог.Практическая важность первого трансуранового элемента пока невелика, особенно если сравнивать нептуний с его соседями по менделеевской таблице. Однако науке элемент № 93 дал очень многое.История открытия первого трансурана весьма поучительна. Подтвердилось древнее правило: новое часто входит не в ту дверь, в которой ждешь. И другое правило — о взаимосвязи открытий. Опыты Ферми были продуманы глубоко. По существу Ферми наметил верный путь к новому элементу. Нептуний на самом деле образовывался в облученном уране. Однако более мощное явление — деление ядер — заслонило слабое излучение трансурана. Путанице способствовало неправильное представление о положении тяжелых элементов в периодической системе. Предсказание Нильса Бора, сделанное еще в 1920 г., о том, что где-то в области урана должен начинаться второй редкоземельный ряд, было прочно забыто…

В конечном итоге попытка открыть первый заурановый элемент обернулась великим открытием расщепления атомного ядра. С другой стороны, опыты, целью которых было изучение процессов деления, привели к открытию нептуния, а затем и других трансурановых элементов.

Нынешний нептуний — третий

Первое предложение назвать нептунием новый химический элемент появилось в 1850 г. Так было предложено именовать элемент, открытый в минерале, привезенном в Европу из-за океана, из плата Коннектикут. Однако открытие не состоялось: было доказано, что тот нептуний идентичен уже открытому ниобию.

Нептунием же, находясь под впечатлением открытия «вычисленной» Леверрье далекой планеты, предполагал назвать новый элемент первооткрыватель германия Клеменс Винклер. Ведь открытый им элемент тоже был «вычислен» Менделеевым за 15 лет до открытия. Но, узнав, что это название уже предлагалось и относилось к лжеэлементу, Винклер передумал и назвал свой элемент германием.

Мефодьевой, сделанное в 1967 г. Они установили, что высшая степень окисления нептуния и плутония не (VI), а (VII).

Нептуний и плутоний семивалентные

О семивалентных нептунии и плутонии, о том, как и почему произошло это открытие, его авторы, доктора химических наук А.Д. Гельман и Н.Н. Крот рассказали корреспонденту журнала «Химия и жизнь» (интервью взято в 1970 г.).Вопрос: Насколько мне известно, виднейший американский радиохимик Гленн Сиборг назвал вашу работу исторической.

Считаете ли вы справедливо такую оценку?Н.Н. Крот: Мы ее справедливой не считаем, не думаем, что наши опыты «исторические». В них же не открыты ни новый элемент, ни новое явление. Найдено новое состояние элементов, и только. А интерес теоретиков к этой работе объясняется прежде всего тем, что она затрагивает периодическую систему, конец периодической системы.

Вопрос: Вы говорите об интересе теоретиков, но ведь известно, что процесс отделения плутония или нептуния от других элементов достаточно сложен, а открытие нового валентного состояния — это по существу открытие нового класса соединений того или иного элемента. А где новые соединения, там и новые возможности для технологии.Н.Н.

Крот: Думаю, что о прикладном значении нашей работы говорить преждевременно. А причины интереса теоретиков могу объяснить.Возьмите любое из последних изданий таблицы Менделеева: в них неизменно лантаноиды и актиноиды вынесены в самостоятельные строки. Аналогия химических свойств этих элементов в трехвалентном состоянии легла в основу актиноидной теории.

Эта теория принесла химии большую пользу. Но многие химики не считали и не считают ее всеобъемлющей, основополагающей. Известные экспериментальные факты, такие, например, как существование урана, нептуния, плутония и других элементов в различных валентных состояниях, эта теория объяснить не может.

А ведь для того же плутония и раньше были известны четыре степени окисления: (III), (IV), (V) и (VI)… Поэтому споры о строении конца периодической системы естественны.

Известный французский радиохимии М.Н. Гайсинский считал, например, что за пределы таблицы нужно выносить только элементы более тяжелые, чем уран, и располагать их в ряд двумя сериями: уранидов (от урана до америция) и кюридов (от кюрия до лоуренсия). А советский ученый В.К.

Григорович предлагал размещать все элементы, включая трансурановые, в соответствующих группах периодической системы. Для лантаноидов и актиноидов — элементов, у которых заполняются электронами f-оболочки, — он вводил третьи подгруппы, аналогично тому, как побочные подгруппы состоят из элементов с заполняющимися d-оболочками.

Эта точка зрения нам кажется наиболее последовательной и логически обоснованной.