鎿 （ naa4 ） Neptunium ；台灣譯錼 （ noi6 ） 化學元素 ，其化學符號 為Np ，原子序數 為93。屬於錒系元素 ，且是首個超鈾元素 ，於1940年由柏克萊輻射實驗室 的埃德溫·麥克米倫 和菲力普·艾貝爾森 首次合成出來，並參照以天王星 （Uranus ）為名的鈾 ，將其以海王星 （Neptune ）命名。
Quick Facts 外觀, 概況 ...
鎿 93 銀色的金屬光澤 名稱·符號 ·序數 鎿（Neptunium）·Np·93 元素類別 錒系元素 族 ·週期 ·區 不適用 ·7 ·f 標準原子質量 [237] 電子排布 [Rn ] 5f4 6d1 7s2 鎿的電子層（2, 8, 18, 32, 22, 9, 2） 發現 埃德溫·麥克米倫 和菲力普·艾貝爾森 （1940年）物態 固態 密度 （接近室溫 ）[ 1] g ·cm −3 熔點 910 K ，637 °C ，1179 °F 沸點 4447 K ，4174 °C ，7545 °F （外推） 熔化熱 3.20 kJ·mol−1 汽化熱 336 kJ·mol−1 比熱容 29.46 J·mol−1 ·K−1 蒸氣壓
壓/Pa
1
10
100
1 k
10 k
100 k
溫/K
2194
2437
氧化態 7, 6, 5 , 4, 3兩性 氧化物) 電負性 1.36（鮑林標度） 電離能 第一：604.5 kJ·mol−1 原子半徑 155 pm 共價半徑 190±1 pm 鎿的原子譜線 晶體結構 正交晶系 磁序 順磁性 [ 2] 電阻率 （22 °C）1.220 µ Ω ·m 熱導率 6.3 W·m−1 ·K−1 CAS編號 7439-99-8 主條目：鎿的同位素
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鎿是一種堅硬、有延展性 的高密度 金屬 ，是所有錒系元素中密度最大的，在所有天然元素中密度第五高，僅次於錸 、鉑 、銥 和鋨 。鎿金屬外觀為銀白色，暴露在空氣中表面會氧化而失去光澤。鎿有三種同素異形體 ，且在水溶液中能表現出+3到+7共五種氧化態 ，其中以+5最為穩定。鎿具有放射性 ，其最穩定的同位素 為237 Np，半衰期為214萬年。由於鎿有放射性、有毒，在粉末狀態下能自燃，且攝入人體後會在骨骼 中積聚，因此處理鎿元素具有一定的危險性。
現時絕大多數的鎿是核燃料 中的鈾吸收中子 後產生的，為核反應堆 和鈈 生產過程常見的副產品。雖然鎿本身目前沒有商業用途，但它被用作生產238 Pu238 Pu是航天和軍事上的放射性同位素熱電機 中常用的熱源。鎿也被用於高能中子探測儀。
由於核嬗變 反應，天然鈾 礦當中存在着痕量 鎿元素，故鎿是少數存在於自然界中的超鈾元素。[ 3]
德米特里·門捷列夫 於1870年代出版的元素週期表 在鈾之後的位置顯示的是一條橫線「－」，其他當時未發現的元素亦然。1913由卡西米爾·法揚斯 出版的已知放射性同位素列表中，也同樣在鈾之後留了空格。[ 4]
1934，奧多林·克布利奇（Odolen Koblic）從瀝青鈾礦 的洗滌水中提取了一小部分物質。他認為這就是93號元素，並將其命名為Bohemium。然而在分析後，他才發現這一物質只是鎢 和釩 的混合物。1934，恩里科·費米 試圖以中子撞擊鈾，產生93號和94號 元素。雖然最後失敗了，但是他無意中發現了核裂變 。1938，羅馬尼亞 物理學家霍里亞·胡盧貝伊 法國 化學家伊維特·哥舒瓦 光譜學 分析，發現了93號元素，並將其命名為Sequanium。由於科學家當時認為這一元素必須人工製造，所以他們的發現遭到了反對。現在人們發現鎿確實存在於自然界中，因此胡盧貝伊和哥舒瓦兩人有可能確實發現了鎿元素。[ 5]
伯克利加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室的1.5米直徑迴旋加速器，攝於1939年8月 在93號元素被發現之前，當時的元素週期表還沒有錒系這一行，因此釷、鏷和鈾分別位於鉿、鉭和鎢之下，93號元素也在錸之下。根據這一排位推測，93號元素的特性應該與錳和錸相似。這意味着這一元素不可能從礦石中提取出來，儘管人們於1952年在鈾礦中探測到了鎿元素。[ 6]
費米相信對鈾 進行中子撞擊，再經β衰變後，可產生93號元素。實驗產物具有短半衰期，因此費米於1934年宣佈發現了新元素，[ 7] [ 8] [ 9] 核裂變 所產生的。奧托·哈恩 在1930年代末進行的239 U衰變實驗中，產生了少量的鎿。Hahn的團隊通過實驗生產並證實了239 U的屬性，但未成功分離和探測到鎿。[ 10]
埃德溫·麥克米倫 和菲力普·艾貝爾森 於1940年在伯克利加州大學 的伯克利輻射實驗室正式發現 了鎿。鎿（Neptunium）以海王星 （Neptune）命名，它的前一元素鈾（Uranium）則以天王星 （Uranus）命名。研究團隊以低速中子撞擊鈾 ，生成了鎿同位素 239 Np（半衰期 為2.4天）。鎿是首個被發現，也是首個人工合成的錒系 超鈾元素 。[ 11]
92
238
U
+
0
1
n
⟶
92
239
U
→
23
m
i
n
β
−
93
239
N
p
→
2.355
d
β
−
94
239
P
u
{\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.355\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }
鎿是銀色、有延性 的放射性 金屬 ，在元素週期表 中位於鈾 和鈈 之間，鑭系元素 鉕 的下面。鎿較硬，體積模量118 GPa ，與錳 相近。[ 13] 雜化 及金屬間有方向性的金屬鍵。[ 14] 蒸汽壓 數值外推出來的沸點是4174 °C。如果屬實，鎿會有所有元素間最高的液態溫度區間，其熔點和沸點溫度差為3535 K 。[ 15]
鎿具有三種同素異形體 ： [ 3]
α型：屬於正交晶系 ，密度20.45 g/cm3 ；[ 16]
β型：出現於280 °C以上，屬於四方晶系 ，313 °C時密度19.36 g/cm3 ；[ 16]
γ型：出現於577 °C以上，屬於立方晶系 ，600 °C時密度18 g/cm3 。[ 16] 有聲稱發現了鎿的第四種同素異形體，但仍未證實。錒系元素都有很多同素異形體。鏷 、鈾、鎿、鈈的晶體結構 不像鑭系元素，更像第4週期的過渡金屬 。[ 14]
鎿是所有錒系元素中密度最高的，在所有天然元素中密度第五高，僅次於鋨 、銥 、鉑 、錸 。[ 15] 骨骼 當中，並慢慢減少。
溶液中的鎿離子 鎿的化學活性很高。在溶液中具有4種離子氧化態 ：
Np3+ （淡紫色），相似於稀土元素離子Pm3+
Np4+ （黃綠色）
NpO+ （藍綠色）NpO2+ （淡粉紅色）氫氧化鎿(III)不溶於水和過鹼溶液中。鎿(III)在空氣中會氧化為鎿(IV)。[ 17] [ 18]
鎿可以形成三鹵化物 和四鹵化物，如NpF3 、NpF4 、NpCl4 、NpBr3 和NpI3 等，以及類似於鈾氧化合物系統的各種氧化物 ，包括Np3 O8 和NpO2 。
六氟化鎿 （NpF6 ）是一種類似於六氟化鈾 的揮發性物質。
鎿和鏷、鈾、鈈和鎇 一樣，能夠形成線形二氧鎿芯（NpO2 n+ ），其中的鎿原子呈5+或6+氧化態。鎿會與氧 、蒸汽 和酸 產生劇烈反應，但不被鹼 侵蝕。[ 5]
NpO2 (OH)2 –
NpO2 (CO3 )–
NpO2 (CO3 )2 3–
NpO2 (CO3 )3 5–
已知的鎿同位素有19種，全部都具有放射性 。其中最穩定的包括：237 Np，半衰期 214萬年；236 Np，半衰期152,000年；以及235 Np，半衰期396.1天。所有剩餘的放射性同位素 半衰期都在4.5天以下，大部分甚至在50分鐘以下。鎿還有4種同核異構體 ，最穩定的是236m Np，半衰期22.5小時。
鎿同位素的原子量 在225.0339 u （225 Np）和244.068 u（244 Np）之間。質量比最穩定的237 Np低的同位素以電子捕獲 的模式 衰變（一部分也進行α衰變 ），比它高的同位素則進行β衰變 。前者的衰變產物是鈾的各種同位素，後者則衰變為鈈同位素。
237 Np能夠進行核裂變 。[ 19] 鉈 -205，但其他重原子核的衰變鏈 末端都是鉛的同位素 。鎿的特殊衰變鏈稱為鎿衰變系 。
最穩定的鎿同位素是237 Np，半衰期為200萬年。這比地球年齡 短得多，因此所有原始 的鎿元素，也就是地球形成時就存在的鎿，至今已衰變殆盡了。然而在鈾礦 中，自然核嬗變 反應會產生衰變產物 ，當中含有微量的鎿-237至鎿-240，因此鎿是少數存在於自然界中的超鈾元素。[ 3] [ 5]
要產生237 Np金屬，須將237 NpF3 與液態鋇 或鋰 在1200 °C 高溫下反應。含鎿的反應原料可從乏核燃料 中作為鈈 生產過程的副產品提取出來，單次提取量有數公斤。[ 5]
2
NpF
3
+
3
Ba
⟶
2
Np
+
3
BaF
2
{\displaystyle {\ce {2 NpF3 + 3 Ba -> 2 Np + 3 BaF2}}}
依重量計，鎿-237產量是鈈產量的5%，或所有乏核燃料的0.05%。[ 20] [ 21]
大部分的鎿都是在核反應中產生的：
鈾-235 原子在捕獲一顆中子後，會變為鈾-236 的激化態。這些激化了的原子核有大約81%會進行裂變，剩餘的衰變為236 U的基態，並釋放伽馬射線 。再次捕獲中子 後，236 U會變為237 U，其半衰期為7天，並且會快速經β衰變 形成237 Np。在β衰變過程中，激化的237 U原子核釋放一顆電子，弱交互作用 再把一顆中子 轉變為一顆質子 ，從而產生237 Np。
92
235
U
+
0
1
n
⟶
92
236
U
m
→
120
n
s
92
236
U
+
γ
{\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma } }
92
236
U
+
0
1
n
⟶
92
237
U
→
6.75
d
β
−
93
237
N
p
{\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6.75\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np} }
237 U也可以通過238 Un ,2n)反應產生，但這只在極高能中子的撞擊下才會發生。237 Np也是241 Amα衰變 後的產物。較重的鎿同位素迅速衰變，而較輕的鎿同位素則無法通過中子捕獲 形成，因此從乏核燃料中化學提取出的鎿幾乎完全由237 Np組成。
要製成純的鎿金屬，須在1200°C高溫下用鋇 或鋰 對三氟化鎿 （NpF3 ）進行還原 。[ 3]
用中子對237 Np進行照射，可形成238 Puα粒子 ，可在航天和軍事上的放射性同位素熱電機 中作發電之用。237 Np會捕獲一顆中子形成238 Np，經β衰變 之後變為238 Pu（半衰期約為2天）。[ 22]
93
237
N
p
+
0
1
n
⟶
93
238
N
p
→
2.117
d
β
−
94
238
P
u
{\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }
乏核燃料 當中也含有可稱量的238 Pu，但這須從其他的鎿同位素中分離出來。
鎿可進行核裂變 ，理論上可用作快中子反應堆 或核武器 的燃料，其臨界質量 大約為60公斤。[ 21] 美國能源部 解密部分文件，其中包括「鎿-237可用於製造核子爆炸裝置」一句。[ 23]
2002年9月，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室 短暫地創造了首個達到臨界質量的含鎿物體，當中還含有濃縮鈾 （鈾-235 ）。實驗發現，用鎿-237製造的裸露球體的臨界質量在60公斤左右，[ 1] [ 19]
鎿-237 鎿-237是受深地質處置 的錒系元素 中可動性最高的。[ 25] 鎇-241 一起通過核嬗變 轉化為其他污染性較弱的同位素。[ 26] 電離室 煙霧探測器 含有的鎇-241（一般有0.2微克 ）會衰變成鎿。鎇-241的半衰期為432年，因此在20年後有3%變為鎿，100年後則有15%變為鎿。
鎿的半衰期很長，所以它在一萬年以內會是核廢料中輻射的主要來源。為了避免日後（數千年後）廢料容器破裂時造成的大範圍核污染，鎿需要先從廢料中提取出來。[ 27] [ 28]
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![{\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.355\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4c6145a7221058188d23d96dea443d824d867190)
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![{\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b3a8a7663dc2ada26e26f0fc9b7f4bf751f8ae34)
