تاریخ کشف نپتونیوم

البته، فرمی هرگز لوله آزمایشی محتوی نمک اولین عنصر فرا اورانیوم را به ملکه‌ی ایتالیا تقدیم نکرد. در واقع این مطلب یک حقه‌ی روزنامه‌نگاری بیش نبود. اما، در حقیقت، فرمی عنصر 93 را در اختیار داشت، اگرچه امکان اثباتش در آن زمان وجود نداشت. در آزمایشات فرمی، هدف اورانیوم حاوی دو ایزوتوپ، یعنی اورانیوم 238 و اورانیوم 235 بود. روی ایزوتوپ دوم فرایند شکافت تحت اثر نوترونهای کم سرعت انجام می‌گرفت و آن را به اجزایی که هسته‌ی عناصری متعلق به قسمت مرکزی جدول تناوبی بودند تبدیل می‌کرد. این تبدیلات وضعیت پیچیده‌ای را در شیمی به وجود آورده بود، اما، به هر حال، این پیچیدگی پس از کشف «شکافت» شناخته و درک گردید.
اما اورانیوم 238 با جذب نوترون تبدیل به ایزوتوپ جدیدی گردید. این ایزوتوپ جدید اورانیوم 239 بود. ایزوتوپ مذکور، که از نظر اشعه‌ی بتا فعال بود، باعث به وجود آمدن ایزوتوپی از اولین عنصر فرا اورانیوم با عدد اتمی 93 شد. این درست همان چیزی بود که فرمی و گروهش به آن فکر می‌کردند. اما شناخت نپتونیوم آینده در میان انبوه اجزای حاصل مشکل بود. به همین دلیل، آزمایشات اواسط دهه‌ی سوم نتیجه‌بخش نشدند.
هان و اشتراسمان با اکتشافات خود به طور مؤثری زمینه‌ی سنتز عملی عناصر فرا اورانیوم را فراهم کردند. برای شروع، تکنیک مفید و مؤثری برای آشکار ساختن اتمهای عنصر 93 در انبوهی از اجزای شکافت لازم بود. از آنجا که جرم این اجزا تا حد زیادی کوچکتر بودند، باید فاصله‌ی بیشتری را، نسبت به اتمهای عنصر 93 که جرم زیادتری داشتند طی می‌کردند.
در این مورد به استدلال یک فیزیکدان امریکایی از دانشگاه کالیفرنیا، موسوم به مک میلان (1)، اشاره می‌کنیم. وی پیشتر، در سال 1939، تجزیه و بررسی توزیع اجزای شکافت اورانیوم در طی مسیرشان را شروع کرده بود. این فیزیکدان بر آن شد تا با اجرای شکافت هسته‌ای نمونه‌ای از اجزایی را که مسیر بسیار کوتاه داشتند تهیه کند. وی در این نمونه اثراتی از یک ماده‌ی رادیوآکتیو، با زمان نیمه عمر 2/3 روز و شدت تشعشع زیاد پیدا کرد. دیگر اجزای شکافت چنین فعالیتی از خود نشان ندادند. مک میلان بیان داشت که این ماده‌ی ناشناخته محصولی از شکافت ایزوتوپی از اورانیوم است که در بین اجزای با مسیر کوتاه نیز یافت شده است. بر این اساس، شکل واکنشی که اول بار توسط فرمی پیشنهاد شد به صورت زیر در می‌آید:

حال دیگر جستجوها در تاریکی انجام نمی‌گرفت. تجزیه‌ی شیمیایی آخرین قدم در ارزیابی و شناخت عنصر جدید بود. مک میلان در تعطیلات تابستانی از دوستش آبلسن، که شیمیدان بود، دعوت به عمل آورد. این ملاقات نقش مهمی در کشف عنصر 93 ایفا کرد. آن دو، به همراه یکدیگر ماهیت شیمیایی عنصر جدیدی با زمان نیمه عمر 2/3 روز را بررسی و شناسایی کردند. عنصر مزبور باید به طریق شیمیایی از توریوم و اورانیوم جدا می‌شد، اگر چه در بعضی زمینه‌ها این عنصر شبیه توریوم، و اورانیوم بود. اما عنصر جدید به هیچ وجه شباهتی به رنیوم نداشت. به هر حال، این واقعیت در نهایت فرضیه‌ای را که عنصر 93 را اکا- رنیوم می‌دانست رد کرد.
در شروع سال 1940، «نشریه فیزیک» کشف واقعی عنصر 93 را گزارش کرد. عنصر یاد شده نپتونیوم نامیده شد. این نام از سیاره‌ای که بعد از اورانوس در منظومه‌ی شمسی قرار دارد مشتق شده است (بین منظومه‌ی شمسی و جدول تناوبی، که در آن نپتونیوم در پی اورانیوم آمده است، تا اندازه‌ای شباهت وجود دارد).
سنتز نپتونیوم روش عمومی برای سنتز تمام عناصر فرا اورانیوم را نشان داد (علاوه بر آن، سنتز عناصر دیگر نیز در پی این موفقیت انجام پذیرفت). ابتدا ایزوتوپی با عدد جرمی معین سنتز می‌گردید. برای نپتونیوم این ایزوتوپ نپتونیوم 239 بود. از آن زمان مرسوم شد که تاریخ کشف عنصر فرا اورانیوم جدید براساس تاریخ عملی شدن سنتز اولین ایزوتوپ آن تعیین شود. اما در برخی موارد عمر اولین ایزوتوپ بقدری کوتاه بود که انجام تجزیه‌های فیزیکی و شیمیایی امکان‌پذیر نمی‌شد و ایزوتوپ تنها در مورد مناسب و مفید به کار برده می‌شد. مطالعه‌ی دقیقتر عنصر جدید با دستیابی به ایزوتوپی از آن که عمر طولانیتری داشت بهتر قابل اجرا بود. در مورد نپتونیوم، این عنصر نپتونیوم 237 بود که در سال 1942 به روش زیر سنتز گردید:

این ایزوتوپ دارای زمان نیمه عمری معادل 106×2/2 سال است. به هر حال، سنتز آن مشکلات تکنیکی فراوانی در برداشت. بنابراین، تمام مطالعات اولیه‌ی خواص نپتونیوم با سومین ایزوتوپ آن، یعنی نپتونیوم 238، که در واکنش هسته‌ای سنتز شد، انجام گرفت. به این ترتیب، تاریخچه‌ی عناصر فرا اورانیوم تاریخ سنتز ایزوتوپهایی از آن عناصر را نیز در بردارد که مناسبترین ایزوتوپ برای تجزیه محسوب می‌گردند اما این ایزوتوپها، به هیچ‌وجه، همواره دارای طولانیترین عمر نیستند.
پس از کشف نپتونیوم، دانشمندان امریکایی مدتها نقش رهبری کننده‌ای در اکتشاف عناصر فرا اورانیوم ایفا کردند. این موضوع با توجه به این واقعیت که ایالات متحد امریکا کمتر در معرض مصایب جنگ دوم جهانی قرار گرفت قابل توجیه است. به هر حال، باید توجه داشت که در سال 1942 عنصر 93 مستقلاً توسط فیزیکدان آلمانی، اشتارک (2)، سنتز شد.
در سال 1944، مقدار قابل توزینی (چند میکروگرم) نپتونیوم سنتز گردید. اما اکنون این عنصر به میزان دهها کیلوگرم در رئاکتورهای هسته‌ای تهیه می‌شود.
امروزه سیزده ایزوتوپ نپتونیوم شناخته شده‌اند. یکی از آنها (نپتونیوم 237) در سال 1952 در طبیعت کشف گردید، این مثال دیگری است از پیدا شدن طبیعی عنصری که قبلاً به طور مصنوعی تهیه شده بود. بر این اساس، برای کشف این‌گونه عناصر می‌توان دو تاریخ را قید کرد (مانند، تکنتیوم، پرومتئوم، آستات، و فرانسیوم).

پی‌نوشت‌:

1. Mc Millan.
2. Starke.

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ؛ تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم