transuraner

Neptunium og plutonium er blitt påvist i små mengder i uranmineraler, de andre transuraner er bare kjent som kunstig fremstilte grunnstoffer. Også neptunium og plutonium ble fremstilt kunstig før de ble påvist i naturen.

Kunstig fremstilling av transuraner foregår ved at atomkjerner av uran eller et transuran omdannes til en ny atomkjerne enten ved innfangning av nøytroner eller ved bombardement med syklotronakselererte atomkjerner. Fremstillingen av transuraner ved innfangning av nøytroner foregår i kjernereaktorer eller ved atombombeeksplosjoner. Men innfangningen fører ikke direkte til dannelse av et nytt grunnstoff siden nøytronet er elektrisk nøytralt og derfor ikke endrer atomets ladning (protontallet). Et nytt grunnstoff oppstår først når antallet opptatte nøytroner er så stort at et nøytron omdannes til et proton under utsendelse av en beta-partikkel:

\(\ce{^1_0n -> ^1_1p + ^0_{-1}e}\)

Dette fører til at kjerneladningen øker med én enhet, og det dannes da et grunnstoff som står én plass etter det opprinnelige i grunnstoffenes periodesystem. Neptunium ble første gang fremstilt av uran 238 på denne måten:

\[\ce{^238_92U + ^1_0n -> ^239_92U -> ^239_93Np + ^0_{-1}e}\]

Dannelsen av transuraner ved atombombeeksplosjoner beror på den kortvarige, men meget intense strømmen av nøytroner som oppstår ved en slik eksplosjon. Både einsteinium og fermium ble første gang oppdaget i spaltningsprodukter fra atombombeeksplosjoner.

Fremstillingen av transuraner ved beskytning av kjente atomkjerner med syklotronakselererte atomkjerner er basert på at de beskutte atomkjerner får en ladningstilvekst som er lik prosjektilets ladning. Samtidig med innfangningen av prosjektilet blir ett eller flere nøytroner sendt ut slik at nukleontallet for den nye atomkjernen blir mindre enn summen av nukleontallene til den beskutte atomkjernen og prosjektilet. På den måten kan man omdanne uran til neptunium, plutonium, californium, einsteinium, fermium og nobelium ved beskytning med henholdsvis deuteroner, heliumkjerner (α-partikler), karbonkjerner, nitrogenkjerner, oksygenkjerner og neonkjerner, for eksempel:

\(\ce{^239_92U + ^12_6C -> ^246_98Cf + 4^1_0n}\)

og

\(\ce{^238_92U + ^16_8O -> ^250_100Fm + 4^1_0n}\)

For å skille transuranene fra andre ledsagende grunnstoffer og for å skille dem innbyrdes, benytter man seg av ionebytterkromatografi, ekstraksjon med egnede løsemidler, de forskjellige oksidasjonstrinns ulike stabilitet og fraksjonerte fellinger. Ved hjelp av ionebyttingsreaksjoner har det for eksempel vært mulig å isolere transuraner selv om de bare har foreligget i form av noen få atomer.

Metallisk form av grunnstoffene er blitt fremstilt ved elektrolyse av saltsmelter eller ved reduksjon av metallfluorider, MeF₃, med litium eller jordalkalimetaller, for eksempel 2MeF₃ + 3Ba = 2Me + 3BaF₂.

I kjemisk henseende forholder transuranene fra neptunium (93) til lawrencium (103) seg stort sett som lantanoidene, noe som kunne forventes ut fra den analoge sammensetning av elektronskallene.

Oksidasjonstall mellom +II og +VIII er kjent, men i likhet med lantanoidene er transuranene overveiende treverdige i sine kjemiske forbindelser. I vandig løsning danner de stabile treverdige ioner, og stabiliteten vokser med voksende atomnummer. For nobelium er oksidasjonstrinn +II mest stabilt.

Transuranene viser en større mangfoldighet i sine kjemiske forbindelser og oksidasjonstall enn lantanoidene. Neptunium og plutonium opptrer med alle oksidasjonstall fra +II til +VII, for plutonium er +VIII også rapportert. Lawrencium er det eneste actinoide-transuran som utelukkende har oksidasjonstallet +III. Om andre likheter mellom lantanoidene og de transuraner som hører til actinoidene, se actinoider.

De transuranene som følger etter lawrencium, må forventes å ha lignende egenskaper som grunnstoffene i den tilsvarende gruppe i grunnstoffenes periodesystem. Grunnstoffet rutherfordium (104) må derfor antas å slutte seg til titan, zirkonium og hafnium i gruppe 4, grunnstoffet dubnium (105) til vanadium, niob og tantal i gruppe 5 og så videre. Den siste edelgassen som er fremstilt, er grunnstoff 118, oganesson (Og).

Det er først og fremst plutonium som har fått anvendelse, og best kjent er bruken av plutoniumisotopen 239 som eksplosiv bestanddel i kjernevåpen og som brensel i kjernereaktorer for produksjon av varme til elektriske anlegg i elektrisitetsforsyningen. Varmen som utvikles ved radioaktiv spalting, utgjør for plutoniumisotopen 238 cirka 0,56 watt per gram. Denne isotopen og curiumisotopene 242 og 244 benyttes til produksjon av varme til elektrisk energi i små, termoelektriske enheter. Slike kjernefysiske atombatterier ble benyttet blant annet under Apollo-romferdene. En annen anvendelse er i hjertepacemakere.

Americium-241 har lang halveringstid (433 år) og en meget energirik gamma-stråling (60 keV) som gjør at den blir brukt for industrielle måle- og kontrollformål og ved diagnose av forstyrrelser i skjoldbruskkjertelen. I blanding med beryllium produserer hvert gram americium-241 cirka ti millioner nøytroner per sekund og blir under betegnelsen ²⁴¹Am-Be i stor utstrekning brukt i forbindelse med oljevirksomhet, for eksempel for å bestemme hvor mye olje en oljebrønn produserer i et gitt tidsrom.

Californium-252 er en kraftig nøytronkilde, ett gram emitterer 2,4·10¹² nøytroner per sekund og blir brukt i nøytronaktiveringsanalyse, i nøytronradiografi, ved leting etter mineraler og olje med mer.

Fremstillingen av transuraner kom først i gang ved at Edwin Mattison McMillan og Philip H. Abelson fremstilte neptunium i 1940. Imidlertid antok den italiensk-amerikanske fysikeren Enrico Fermi at han hadde fremstilt transuraner 1934 ved å beskyte uran med nøytroner. Forsøk av Otto Hahn, Lise Meitner og Fritz Strassmann og andre syntes å bekrefte disse resultatene. Etter Hahns og Strassmanns oppdagelse 1938 av uranatomets fisjon, viste det seg at de radioaktive grunnstoffer som man hadde ment var «transuraner» i virkeligheten var spaltningsprodukter av uran.

¹Resultater først publisert

• uran
• kjernekjemi
• grunnstoff