Neptunium

Portaal Scheikunde
Chemisch element


Naam	Neptunium
Latijn
Symbool	Np
Atoomnummer	93
Soort
Kleur	Zilverwit
Smeltpunt	639 ±3 ^oC
Kookpunt	4174 ^oC

Neptunium is een chemisch element met het symbool Np en atoomnummer 93 in het Periodiek Systeem van de scheikunde. Het is een zacht, kneedbaar, zilverwit metaal dat langzaam verkleurt bij blootstelling aan lucht.

De actinoïde, ook wel actinide serie omvat de 15 metallische chemische elementen met atoomnummers 89-103, (actinium tot Lawrencium). De actinoïde serie kreeg zijn naam van het eerste element in de serie, actinium. Het (informele) chemische symbool An wordt gebruikt in algemene discussies over actinoïde chemie om te verwijzen naar een actinoïde.

Neptunium is een typisch metaal. Het heeft een zilverachtige kleur (maar verkleuren in de lucht), een relatief hoge dichtheid en plasticiteit (kneedbaarheid). Het kan worden gesneden met een mes. Net als de andere actiniden is neptunium radioactief en zal dus ook radioactief afval geven. Het is pyrofoor, vooral wanneer het fijn verdeeld is, dat wil zeggen dat het spontaan ontbrandt bij reactie met lucht bij kamertemperatuur.

Voorkomen

Vervalketen van Neptunium

Neptunium is dus in de natuur slechts in verwaarloosbare hoeveelheden aanwezig, ontstaan als tussentijdse vervalproducten van andere isotopen. Sporen van de zogeheten neptuniumisotopen neptunium-237 en -239 komen van nature voor als vervalproducten van zogeheten transmutatiereacties in uranium-ertsen. Met name ²³⁹ Np en ²³⁷ Np zijn de meest voorkomende van deze isotopen; ze worden direct gevormd door neutronenvangst door uranium-238-atomen. Deze neutronen zijn afkomstig van de spontane splijting van uranium-238. Dit is waar atoomdeskundigen mee van doen hebben en is best moeilijk om uit te leggen en te begrijpen.

In 1952 werd ²³⁷ Np ontdekt en vrijgemaakt uit uraniumerts uit Belgisch Congo, tegenwoordig Democratische Republiek Congo (DRC).

Het meeste neptunium (en plutonium) dat nu in het milieu wordt aangetroffen, is te danken aan nucleaire explosies in de atmosfeer die plaatsvonden tussen de ontploffing van de eerste atoombom in 1945 en van het Partial Nuclear Test Ban Treaty in 1963. De totale hoeveelheid neptunium die door deze explosies en de weinige atmosferische tests die sinds 1963 zijn uitgevoerd, worden geschat op ongeveer 2500 kg. Een extra zeer kleine hoeveelheid neptunium, ontstaan door neutronenbestraling van natuurlijk uranium in koelwater van de kernreactor, komt vrij wanneer het water wordt geloosd in rivieren of meren.

Neptunium in erts of mineraal

Uraniniet bevat zeer kleine hoeveelheden Neptunium

Geschiedenis

De Berkeley cyclotron of deeltjesversneller

Toen het eerste periodiek systeem van de elementen werd uitgebracht door Dmitri Mendelejev in de vroege jaren 1870, stond er een "-" op zijn plaats na uranium vergelijkbaar met verschillende andere plaatsen voor toen nog onontdekte elementen. Andere latere tabellen met bekende elementen, waaronder een publicatie uit 1913 van de bekende radioactieve isotopen door Kasimir Fajans, tonen ook een lege plaats na uranium, element 92.

Tot en na de ontdekking van de laatste onderdeel van de atoomkern, het neutron in 1932, hebben de meeste wetenschappers de mogelijkheid van elementen zwaarder dan uranium toen niet serieus overwogen. Hoewel de nucleaire theorie destijds hun bestaan niet echt verbood, was er weinig bewijs om te suggereren dat ze dat wel deden. De ontdekking van zogeheten geïnduceerde radioactiviteit door Irène en Frédéric Joliot-Curie eind 1933 opende echter een geheel nieuwe methode voor het onderzoeken van de elementen en inspireerde een kleine groep Italiaanse wetenschappers onder leiding van Enrico Fermi om een reeks proeven te beginnen met neutronenbombardementen met een cyclotron of deeltjesversneller.

Hoewel het experiment (proef) van de Joliot-Curies het bombarderen (beschieten) van een monster van ²⁷ Almet alfadeeltjes om de radioactieve ³⁰ P te maken, realiseerde Fermi zich dat het gebruik van neutronen, die geen elektrische lading hebben, hoogstwaarschijnlijk nog betere resultaten zou opleveren dan de positief geladen alfadeeltjes. Hij begon in maart 1934 alle toen bekende elementen systematisch (stuk voor stuk) te onderwerpen aan een neutronenbombardement om te bepalen of andere ook tot radioactiviteit konden worden gebracht.

Hij beschreef zijn onderzoek en bracht de conclusies met het nodige voorbehoud uit. Er kwamen de nodige reacties. Met name over het exacte proces dat plaatsvond toen een atoom een neutron ving, want dat werd destijds niet goed begrepen. Of Fermi dus gelijk had bleef lang onduidelijk. Anderen konden het niet bewijzen of bevestigen.

Terwijl het onderzoek naar kernsplijting begin 1939 vorderde, besloot Edwin McMillan van het Berkeley Radiation Laboratory van de University of California, in Berkeley een proef uit te voeren waarbij uranium werd gebombardeerd met behulp van de krachtige 60-inch (1,52 m) cyclotron die onlangs door de universiteit was gebouwd. Samen met Philip H. Abelson ontdekten zij in 1940 het nieuwe element. Door deze ontdekking werd uiteindelijk ook duidelijk dat Neptunium en uranium tot een vergelijkbare reeks hoorde als die van de lanthaniden. Dat bleek de reeks van de actiniden te zijn. Eindelijk kon het bewijs voor Neptunium als nieuw element worden rond gemaakt.

McMillan en Abelson brachten hun resultaten uit in een document getiteld radioactief element 93 in de Physical Review op 27 mei, 1940. Ze hebben niet een voorstel gedaan voor een naam voor het element in de krant, maar ze al snel besloten tot de naam neptunium, naar Neptunus, de volgende planeet voorbij Uranus in ons zonnestelsel.

Het onderzoek naar het element ging door en het eerste monster van neptunium werd in 1944 vrijgemaakt. Er zijn vrijwel geen toepassingen en het grootste deel van het neptunium dat als bijproduct van de reactie in kerncentrales wordt geproduceerd, wordt echter als radioactief afval gezien.

Gebruik

Neptunium wordt vooral gebruikt als grondstof voor het kunstmatig maken van plutonium. Het zou gebruikt kunnen worden in kernwapens, maar voor zover bekend is dat tot op heden niet gebeurd. Voor het opslaan van Neptunium als kernafval moet nog veel onderzoek plaats vinden.