Nettunio

Il nettunio (inizialmente chiamato "ausonio" da Enrico Fermi) è un elemento chimico con numero atomico 93 e il suo simbolo è Np. È un elemento transuranico incluso nella serie degli attinoidi sulla tavola periodica.^[4] Possiede 19 isotopi, tutti instabili^[4], e si presenta, allo stato solido, in 3 forme allotropiche. Il suo isotopo più stabile (²³⁷Np) è un sottoprodotto di reazione nei reattori nucleari^[5] e trova impiego nella costruzione di rilevatori di neutroni. È presente, in tracce, nei minerali di uranio.^[6]

Nettunio
93 Np                                                                                                                                                                                                                                               uranio ← nettunio → plutonio
Aspetto
Aspetto dell'elemento Sfera di 237Np (6 kg) al Los Alamos National Laboratory
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	nettunio, Np, 93
Serie	attinoidi
Gruppo, periodo, blocco	— (3)[1], 7, f
Densità	18,0-20,45 g/cm³[2][3]
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	6L11/2
Proprietà atomiche
Massa atomica	237,0482 u
Raggio atomico (calc.)	155 pm
Raggio covalente	190±1 pm
Configurazione elettronica	[Rn] 7s2 6d1 5f4
e− per livello energetico	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Stati di ossidazione	6, 5, 4, 3 (anfotero)
Struttura cristallina	ortorombica, tetragonale, cubica
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (paramagnetico)
Punto di fusione	910 K (637 °C)
Punto di ebollizione	4 273 K (4 000 °C)
Volume molare	1,159×10−5 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	336 kJ/mol
Calore di fusione	5,19 kJ/mol
Altre proprietà
Numero CAS	7439-99-8
Elettronegatività	1,36 (Scala di Pauling)
Conducibilità elettrica	8,22×10−5 /m·Ω
Conducibilità termica	6,3 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	604,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 235Np sintetico 369,1 giorni α ε 5,192 0,124 231Pa 235U 236Np sintetico 1,54×105 anni ε β− α 0,940 0,940 5,020 236U 236Pu 232Pa 237Np tracce 2,144×106 anni[4] α fiss. 4,959   233Pa   239Np sintetico 2,355 giorni[4] β−   239Pu
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Storia

Il nettunio appartiene alla serie degli attinoidi e fu il primo elemento transuranico ad essere sintetizzato in laboratorio. Dapprima scoperto nel 1934 da Enrico Fermi a Roma, fu battezzato ausonio (Ao). Fu poi riscoperto e ribattezzato nettunio (dal pianeta Nettuno, per analogia con l'uranio) da Edwin McMillan e Philip Hauge Abelson, nel 1940, all'interno del Radiation Laboratory (dal 1959, Lawrence Berkeley National Laboratory) dell'Università di Berkeley in California. I due fisici sintetizzarono l'isotopo ²³⁹Np (con un'emivita di 2,3 giorni) in un ciclotrone bombardando dell'uranio con neutroni lenti (ovvero con energia <1 eV^[7]).^[8][9][10]

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2\ 355\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Prima di tale data, sono menzionati in letteratura almeno tre annunci della scoperta dell'elemento 93 – con il nome di ausonio (Enrico Fermi et alii), di boemio nel 1934 e di sequanio nel 1939 – tutti smentiti da successive verifiche.^[11][12]

Caratteristiche

Allo stato solido, il nettunio si presenta come un metallo di colore argenteo, discretamente reattivo ed esistente in tre forme allotropiche^[6][10]:

• α-nettunio: ortorombico con densità 20,25 g/cm³ (20 250 kg/m³).
• β-nettunio (oltre i 280 °C), tetragonale con densità 19,36 g/cm³ (19 360 kg/m³) a 313 °C.
• γ-nettunio (oltre 577 °C), cubico con densità 18 g/cm³ (18 000 kg/m³) a 600 °C.

Disponibilità

Tracce di nettunio sono presenti, in natura, nei minerali di uranio come prodotto di decadimento radioattivo del ²³⁷U. L'isotopo ²³⁷Np si può sintetizzare per riduzione di NpF₃ con vapori di bario o litio a circa 1200 °C^[6], ma prevalentemente si ottiene come sottoprodotto di reazione dal combustibile nucleare esausto e/o durante la produzione di plutonio. ²³⁷Np viene prodotto anche per decadimento alfa di ²⁴¹Am.^[13]

Con la cattura di un neutrone termico, un atomo di ²³⁵U passa allo stato eccitato di ^236mU, un isomero metastabile con un'emivita di 1×10⁻¹² s.^[14] Escludendo gli atomi che decadono nuovamente in ²³⁵U per reazioni di scattering elastico e anelastico, circa l'84% dei nuclei eccitati subisce la fissione, mentre il restante 16% decade allo stato fondamentale di ²³⁶U cedendo 6,46 MeV sotto forma di radiazioni gamma.^[15][16][17]

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma } }$

Un'ulteriore cattura neutronica produce ²³⁷U che ha un'emivita di 7 giorni e decade rapidamente in ²³⁷Np.

${\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np} }$

²³⁷U viene prodotto anche tramite una reazione (n,2n) con ²³⁸U (ma solo se i neutroni hanno alta energia).

Isotopi

Sono noti 19 radioisotopi del nettunio, i più stabili dei quali sono il ²³⁷Np con emivita di 2,14 milioni di anni, il ²³⁶Np con emivita di 154 000 anni e ²³⁵Np con emivita di 396,1 giorni. Tutti gli altri isotopi radioattivi hanno emivite inferiori a 5 giorni e, per la maggior parte, inferiori ad 1 ora. Questo elemento ha anche 4 stati metastabili, di cui il più stabile è il ^236mNp (t_½ 22,5 ore).^[18][19]

Gli isotopi di nettunio hanno un peso atomico variabile tra 225,034 u (²²⁵Np) e 244,068 u (²⁴⁴Np). Il principale modo di decadimento prima dell'isotopo più stabile (²³⁷Np) è la cattura elettronica (con un decadimento alfa significativo), mentre quello più comune dopo l'isotopo più stabile è il decadimento beta. I prodotti di decadimento prima di ²³⁷Np sono isotopi di uranio (mentre il decadimento alfa produce, invece, isotopi di protoattinio) e i prodotti principali dopo di esso sono isotopi di plutonio.^[18][19]

Radionuclide	Z(p)	N(n)	Massa (u)	emivita	spin nucleare
	energia di eccitazione
225Np	93	132	225,03391(8)	3# ms [>2 µs]	9/2−#
226Np	93	133	226,03515(10)#	35(10) ms
227Np	93	134	227,03496(8)	510(60) ms	5/2−#
228Np	93	135	228,03618(21)#	61,4(14) s
229Np	93	136	229,03626(9)	4,0(2) min	5/2+#
230Np	93	137	230,03783(6)	4,6(3) min
231Np	93	138	231,03825(5)	48,8(2) min	(5/2)(+#)
232Np	93	139	232,04011(11)#	14,7(3) min	(4+)
233Np	93	140	233,04074(5)	36,2(1) min	(5/2+)
234Np	93	141	234,042895(9)	4,4(1) d	(0+)
235Np	93	142	235,0440633(21)	396,1(12) d	5/2+
236Np	93	143	236,04657(5)	154(6)×103 a	(6−)
236mNp	60(50) keV			22,5(4) h	1
237Np	93	144	237,0481734(20)	2,144(7)×106 a	5/2+
238Np	93	145	238,0509464(20)	2,117(2) g	2+
238mNp	2300(200)# keV			112(39) ns
239Np	93	146	239,0529390(22)	2,356(3) d	5/2+
240Np	93	147	240,056162(16)	61,9(2) min	(5+)
240mNp	20(15) keV			7,22(2) min	1(+)
241Np	93	148	241,05825(8)	13,9(2) min	(5/2+)
242Np	93	149	242,06164(21)	2,2(2) min	(1+)
242mNp	0(50)# keV			5,5(1) min	6+#
243Np	93	150	243,06428(3)#	1,85(15) min	(5/2−)
244Np	93	151	244,06785(32)#	2,29(16) min	(7−)

Composti

Possiede vari stati di ossidazione, i più alti dei quali sono quelli ottenuti in soluzione acquosa^[10] come Np³⁺ (di colore purpureo analogamente allo ione Pm³⁺) che produce, per ossidazione all'aria, Np⁴⁺ (verde-giallo) e, successivamente, NpO2+2 (rosa pallido).^[20] Un altro stato di ossidazione conosciuto è NpO+2 (verde bluastro in soluzione acquosa) ottenuto per ossidazione di Np⁴⁺ con acido nitrico caldo.^[20][21]

I principali composti del nettunio sono gli alogenuri NpF₆ (arancione), NpF₄ (verde), NpF₃ (viola-nero), NpCl₄ (rosso-marrone), NpCl₃ (bianco), NpBr₄ (rosso-marrone), NpBr₃ (verde), NpI₃ (marrone) e gli ossidi Np₃O₈ e NpO₂.^[10][20]

Inquinamento da 237Np nel lungo periodo

Gli isotopi di nettunio più pesanti decadono rapidamente, mentre quelli più leggeri non possono essere prodotti per cattura neutronica; di conseguenza, la separazione chimica del nettunio dal combustibile nucleare esausto produce sostanzialmente il solo ²³⁷Np. Per tale motivo – e per la scarsa rilevanza come prodotto del decadimento naturale nei giacimenti di minerali uranili – questo radionuclide del nettunio si presta come indicatore dell'inquinamento di lungo periodo connesso con le attività nucleari umane.^[22][23]

Come altri tre prodotti di fissione (⁹⁹Tc, ¹²⁹I e ²³⁴U) il radioisotopo ²³⁷Np possiede un'emivita molto lunga^[24], è facilmente solubile in acqua e viene scarsamente assorbito dai minerali per cui, pur essendo un nuclide a bassa emissione radioattiva, potrebbe rappresentare, nel lungo periodo (> 10000 anni dallo stoccaggio) a causa del progressivo accumulo e dell'elevata mobilità^[25], l'agente più significativo di inquinamento radioattivo per le falde acquifere e i bacini idrografici prossimali ai depositi di scorie se questi ultimi dovessero deteriorarsi.^[26][27][28]

Applicazioni

²³⁷Np trova impiego nella costruzione di dosimetri di neutroni veloci e ad alta energia^[29], anche per uso personale^[30], in campo ospedaliero e industriale.^[31] Lo stesso radioisotopo del nettunio è anche un prodotto di decadimento dell'americio presente nei rivelatori di fumo a ionizzazione.^[32]

L'irradiazione neutronica di ²³⁷Np origina ²³⁸Pu che è una sorgente di particelle α per i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) utilizzati, prevalentemente, nel campo dell'esplorazione spaziale. ²³⁷Np cattura un neutrone per formare ²³⁸Np che decade – per emissione beta dopo un paio di giorni – in ²³⁸Pu.^[33]

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2\ 117\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

Il nettunio è fissile e potrebbe teoricamente essere utilizzato come combustibile nei reattori a neutroni veloci o nelle armi nucleari.^[34] Nel 1992, il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti declassificò un documento che attestava la possibilità di impiego di ²³⁷Np nella costruzione di armi nucleari.^[35] Nel settembre 2002, alcuni ricercatori dell'Università della California hanno creato, presso il Los Alamos National Laboratory, la prima massa critica di nettunio utilizzando, per gli esperimenti, una sfera di 6 kg di ²³⁷Np circondata da un guscio di uranio arricchito. I risultati degli esperimenti hanno mostrato che la massa critica è compresa attorno ai 58-60 kg.^[3]