Californium

Californium
98 Cf
Dy ↑ Cf ↓ (Upn) Tableau périodique berkelium ← → californium einsteinium
Apparence
argenté
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	californium, Cf, 98
Prononciation	/ ˌ k æ l ɨ fa ɔr n Je ə m / KAL -i- POUR -neE-əm
Catégorie Metallic	actinides
Groupe, période, bloc	n / a, 7, fa
Poids atomique standard	(251)
Configuration électronique	[ Rn ] 5f 10 7s 2 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Histoire
Découverte	Lawrence Berkeley National Laboratory (1950)
Propriétés physiques
Phase	solide
Densité (à proximité rt)	15,1 g · cm -3
Point de fusion	1173 K , 900 ° C, 1652 ° F
Point d'ébullition	1743 K, 1470 ° C, 2678 (estimation) ° F
Propriétés atomiques
États d'oxydation	2, 3, 4
Électronégativité	1,3 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1er: 608 kJ · mol -1
Miscellanées
Crystal structure	simples hexagonale
Dureté Mohs	3-4
Numéro de registre CAS	7440-71-3
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de californium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 248 Cf syn 333,5 d α (100%) 6,369 244 cm SF (2,9 × 10 -3%) 0,0029 - 249 Cf trace 351 y α (100%) 6,295 245 cm SF (5,0 × 10 -7%) 4,4 × 10 -7 - 250 Cf trace 13,08 y α (99,92%) 6,129 246 cm SF (0,08%) 0,077 - 251 Cf trace 898 y α 6,172 247 cm 252 Cf trace 2,645 y α (96,91%) 6,217 248 cm SF (3,09%) - - 253 Cf trace 17,81 d β - (99,69%) 0,29 253 Es α (0,31%) 6.126 249 cm 254 Cf syn 60,5 d SF (99,69%) - - α (0,31%) 5,930 250 cm Références isotopes:

Californium est un radioactifs métalliques élément chimique avec le symbole Cf et de numéro atomique 98. L'élément a été faite à la Université de Californie, Berkeley en 1950 en bombardant le curium avec (particules alpha hélium-4 ions ). Ce est un actinide élément, le sixième Transuranien être synthétisé, et a la deuxième plus forte masse atomique de tous les éléments qui ont été produites en quantités assez grandes pour voir avec le oeil nu (après einsteinium ). L'élément a été nommé d'après la Californie et de la Université de Californie. Ce est l'élément le plus lourd à l'état naturel sur la Terre; éléments les plus lourds ne peuvent être produits par synthèse.

Deux formes cristallines existent pour californium sous pression normale: une au-dessus de 900 ° C et une au-dessous de 900 ° C. Une troisième forme existe à haute pression. Californium ternit lentement à l'air à la température ambiante. Composés de californium sont dominées par une forme chimique de l'élément, désigné californium (III), qui peuvent participer à trois liaisons chimiques . Le plus stable de vingt connus de californium isotopes est californium-251, qui a une demi-vie de 898 ans. Signifie que l'élément ne est pas trouvé en quantités importantes dans la croûte de la Terre Cette demi-vie courte. Californium-252, avec une demi-vie d'environ 2,64 années, est l'isotope le plus couramment utilisé et est produite à la Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis et de la Institut de recherche des réacteurs atomiques en Russie.

Californium est l'un des rares éléments transuraniens qui ont des applications pratiques. La plupart de ces applications exploitent la propriété de certains isotopes de californium à émettre des neutrons . Par exemple, californium peut être utilisé pour aider à démarrer les réacteurs nucléaires, et il est utilisé comme une source de neutrons pour l'étude des matériaux avec diffraction de neutrons et spectroscopie de neutrons. Californium peut également être utilisé dans la synthèse nucléaire d'éléments de masse supérieur; ununoctium (élément 118) a été synthétisé par bombardement du californium 249 atomes avec 48 ions calcium. L'utilisation de californium doit tenir compte des préoccupations radiologiques et la capacité de l'élément de perturber la formation de les globules rouges par bio-accumulation dans les tissus squelettiques.

Caractéristiques

Propriétés physiques

Californium est un blanc argenté actinides métal avec un point de fusion de 900 ± 30 ° C et on estime que le point d'ébullition de 1745 ° C. Le métal pur est malléable et peut être facilement coupé avec une lame de rasoir. Californium métal commence à se vaporiser au-dessus de 300 ° C lorsqu'il est exposé à un vide. Moins de 51 K (-220 ° C) en métal californium est soit ferromagnétique ou ferrimagnétique (il agit comme un aimant), entre 48 et 66 K, il est antiferromagnétique (un état intermédiaire), et au-dessus de 160 K (-110 ° C), il est paramagnétiques (champs magnétiques externes peuvent faire magnétique). Il forme alliages avec lanthanides métaux, mais on en sait peu sur eux.

L'élément a deux formes cristallines sous une atmosphère standard de la pression: Un double hexagonale forme serrée alpha de copie (α) et un à faces centrées forme cubique bêta désigné (β). La forme α existe au-dessous de 900 ° C avec une masse volumique de 15,10 g / cm ³ et la forme β qui existe au-dessus de 900 ° C avec une densité de 8,74 g / cm ^3. Au 48 GPa de pression sous la forme de β transforme en un système cristallin orthorhombique en raison de la délocalisation de l'atome de Électrons 5f, qui les libère pour coller.

Le module de compression d'un matériau est une mesure de sa résistance à la pression uniforme. Un module de masse californium est 50 ± 5 GPa, ce qui est similaire aux métaux trivalents de lanthanides, mais plus petite que les métaux connus, tels que l'aluminium (70 GPa).

Les composés chimiques et les propriétés

Californium expositions valences de 4, 3 ou 2; indiquant le nombre de liaisons chimiques d'un atome de cet élément peut se former. Ses propriétés chimiques sont prédits comme étant essentiellement similaires à d'autres éléments actinides 3+ de valence et l'élément dysprosium , qui est le lanthanide californium-dessus dans le tableau périodique. L'élément ternit lentement à l'air à la température ambiante, avec l'augmentation du taux lorsque l'humidité est ajouté. Californium réagit lorsqu'il est chauffé avec de l'hydrogène , de l'azote , ou un chalcogène (élément de la famille d'oxygène); réactions avec de l'hydrogène sec et aqueuse acides minéraux sont rapides.

Californium est seulement soluble que le californium (III) de l'eau cation . Les tentatives de réduire ou oxyder l'ion 3 en solution ont échoué. L'élément soluble dans l'eau forme une- le chlorure, le nitrate , perchlorate et sulfate et est précipitée en tant que fluorure, oxalate, ou hydroxyde .

Isotopes

Vingt des radio-isotopes de californium ont été caractérisées, le plus stable étant californium-251 avec une demi-vie de 898 ans californium-249 avec une demi-vie de 351 ans californium-250 avec une demi-vie de 13,08 années, et californium- 252, avec une demi-vie de 2,645 années. Tous les isotopes restants ont des demi-vies plus courte d'un an, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies plus courtes que 20 minutes. Les isotopes de californium varient en nombre de masse de 237 à 256.

Californium-249 est formée à partir de la désintégration bêta de berkelium-249, et la plupart des autres isotopes du californium sont fabriqués en soumettant berkelium au rayonnement intense de neutrons dans un réacteur nucléaire. Bien californium-251 a une demi-vie plus longue, son rendement de production ne est que de 10% en raison de sa tendance à recueillir des neutrons (haute capture de neutrons) et sa tendance à interagir avec d'autres particules (haute neutron section transversale).

Californium-252 est une très forte neutrons émetteur, ce qui rend extrêmement radioactifs et dangereux. Californium-252 subit désintégration alpha (la perte de deux protons et deux neutrons) 96,9% du temps pour former le curium -248 3,1% tandis que le restant de désintégrations sont fission spontanée. Une microgrammes (ug) de californium-252 émet 2,3 millions de neutrons par seconde, soit une moyenne de 3,7 neutrons par fission spontanée. La plupart des autres isotopes du californium décroissance aux isotopes de curium ( de numéro atomique 96) par désintégration alpha.

Histoire

Le 60 pouces de diamètre (1500 mm) cyclotron utilisé pour synthétiser les premier californium

Californium était synthétisé à la première Université de Californie, Berkeley par les chercheurs en physique Stanley G. Thompson, Kenneth Street, Jr., Albert Ghiorso, et Glenn T. Seaborg vers le 9 Février, 1950. Ce était la sixième Transuranien à découvrir; l'équipe a annoncé sa découverte le 17 Mars 1950.

Pour produire californium, une cible de microgramme taille du curium-242 (242
96 cm) a été bombardé de 35 MeV- les particules alpha (4
2 Il) dans le 60 pouces de diamètre (1500 mm) cyclotron Berkeley, en Californie, qui a produit californium-245 (245
98 Cf) plus un neutron libre (n).

242
96 cm + 4
2 Il → 245
98 Cf + 1
0 n

Seulement environ 5000 atomes de californium ont été produites dans cette expérience et ces atomes eu une demi-vie de 44 minutes.

Les découvreurs nommé le nouvel élément après la Californie et le Université de Californie. Ce était une pause de la convention utilisée pour les éléments 95 à 97, qui se est inspiré de la façon dont les éléments directement dessus d'eux dans le tableau périodique ont été nommés. Cependant, l'élément directement au-dessus élément 98 dans le tableau périodique, le dysprosium , a un nom qui signifie simplement "difficile à obtenir au" de sorte que les chercheurs ont décidé de mettre de côté la convention de nommage informel. Ils ont ajouté que "le meilleur que nous pouvons faire, ce est de souligner [...] que les chercheurs il ya un siècle ont trouvé difficile de se rendre à la Californie."

Pesables quantités de californium ont d'abord été produits par l'irradiation de cibles de plutonium à la Materials Testing Reactor au Laboratoire national de l'Idaho; et ces résultats ont été rapportés en 1954. Le taux de fission spontanée élevé de californium-252 a été observée dans ces échantillons. La première expérience avec californium sous forme concentrée est produite en 1958. Les isotopes du californium 249 à californium-252 ont été isolés de la même année d'un échantillon de plutonium-239 qui avaient été irradiés avec des neutrons dans un réacteur nucléaire pendant cinq ans. Deux ans plus tard, en 1960, Burris et Cunningham James Wallman du Lawrence Radiation Laboratory de l'Université de Californie a créé le premier californium composés californium-trichlorure, californium oxychlorure et californium oxyde par traitement à la vapeur californium et d'acide chlorhydrique.

Le High Flux Isotope Reactor (HFIR) au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dans Oak Ridge, Tennessee, a commencé à produire de petits lots de californium dans les années 1960. En 1995, le produit HFIR nominalement 500 milligrammes de californium chaque année. Plutonium fourni par le Royaume-Uni aux États-Unis en vertu de la 1958 Accord de défense mutuelle américano-britannique a été utilisé pour la production de californium.

Le Commission de l'énergie atomique vendu californium-252 à des clients industriels et universitaires dans les années 1970 pour 10 $ par microgramme et une moyenne de 150 mg de californium-252 ont été expédiées chaque année de 1970 à 1990. Californium métallique a été préparé en 1974 par Haire et Baybarz californium (III) oxyde de lanthane qui réduit avec le métal pour obtenir des quantités de microgramme de films épais sous-micrométriques.

Occurrence

Les essais nucléaires a contaminé l'environnement avec des traces de californium.

Des quantités très minutes de californium existent sur la Terre en raison de réactions de capture de neutrons et désintégration bêta en très hautement concentrées uranium dépôts -bearing. Traces de californium peuvent être trouvés à proximité des installations qui utilisent l'élément dans la prospection minière et dans les traitements médicaux. L'élément est assez insoluble dans l'eau, mais il adhère bien au sol ordinaire; et les concentrations de celui-ci dans le sol peut être 500 fois plus élevée que dans l'eau entourant les particules du sol.

Fallout de la pression atmosphérique essais nucléaires avant 1980 a contribué une petite quantité de californium à l'environnement. Californium isotopes avec nombres de masse 249, 252, 253, et 254 ont été observées dans la poussière radioactive recueillies auprès de l'air après une explosion nucléaire. Californium ne est pas un radionucléide majeur à United States Department of anciens sites énergie car il n'a pas été produit en grandes quantités.

Californium croyait autrefois être produite en supernovas , que leur décroissance correspond à la demi-vie de 60 jours ²⁵⁴ Cf. Cependant, des études ultérieures ne ont pu démontrer toute spectres de californium et courbes de lumière de la supernova sont maintenant pensés pour suivre la décroissance de nickel-56.

Production

Californium est produit en les réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules. Californium-250 est fabriqué par bombardement berkelium-249 (249
97 Bk) avec des neutrons, formant berkelium-250 (250
97 Bk) via capture de neutrons (n, γ) qui, à son tour, rapidement désintégrations bêta (β ^-) à californium-250 (250
98 Cf) dans la réaction suivante:

249
97 Bk (n, γ) 250
97 Bk → 250
98 Cf + β ^-

Bombardement de californium-250 avec des neutrons produit californium-251 et le californium-252.

Irradiation prolongée de l'américium , curium, et le plutonium avec des neutrons produit des quantités de milligrammes de californium-252 et les montants de microgrammes de californium-249. En 2006, le curium isotopes 244-248 sont irradiés par des neutrons dans les réacteurs spéciaux pour produire principalement californium-252 avec des quantités moindres d'isotopes 249-255.

Microgrammes quantités de californium-252 sont disponibles pour un usage commercial par les États-Unis Nuclear Regulatory Commission. Seuls deux des sites produisent californium-252 - l'Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis, et de la Institut de recherche des réacteurs atomiques dans Dimitrovgrad, Russie. En 2003, les deux sites produisent 0,25 grammes et 0,025 grammes de californium-252 par an, respectivement.

Trois isotopes de californium avec des demi-vies d'importantes sont produites, ce qui nécessite un total de 15 captures de neutrons par l'uranium-238, sans la fission nucléaire ou la désintégration alpha survenant au cours du processus. Californium-253 est à la fin d'une chaîne de production qui commence par l'uranium 238, comprend plusieurs isotopes du plutonium, américium, curium, berkelium et le californium isotopes 249-253 (voir schéma).

Schéma de la production de californium-252 de l'uranium 238 par irradiation de neutrons

Applications

Cinquante tonnes expédition fût construit à Oak Ridge National Laboratory qui peut transporter jusqu'à 1 gramme de ²⁵² Cf. Conteneurs grandes et lourdement blindés de transport sont nécessaires pour empêcher la libération de matières hautement radioactives en cas d'accident normales et hypothétiques.

Californium-252 a un certain nombre d'applications spécialisées comme un émetteur de neutrons forte, et chaque microgramme de produit frais californium 139 millions neutrons par minute. Cette propriété rend utile comme californium source de démarrage de neutrons pour certains réacteurs nucléaires et en tant que (base non-réacteur) source de neutrons portatif pour analyse par activation neutronique pour détecter l'état de traces dans des échantillons d'éléments. Les neutrons de californium sont utilisés comme traitement de certains col de l'utérus et cancers du cerveau où d'autres la radiothérapie est inefficace. Il a été utilisé dans des applications éducatives depuis 1969 lorsque le Georgia Institute of Technology a reçu un prêt de 119 ug de californium-252 de l'usine de Savannah River. Il est également utilisé avec ligne élémentaire analyseurs de charbon et analyseurs de matériau en vrac dans les industries du charbon et du ciment.

la pénétration des neutrons dans des matériaux rend californium utile dans les instruments de détection tels que scanners de barres de combustible; neutronographie d'aéronefs et de composants d'armes pour détecter la corrosion , mauvaises soudures, fissures et de l'humidité piégée; et des détecteurs de métaux portatifs. Jauges à neutrons utilisent californium-252 de trouver les couches d'eau et de pétrole dans les puits de pétrole, comme un portable source de neutrons pour l'or et l'argent pour l'analyse de prospection sur le terrain, et de détecter les mouvements de l'eau souterraine. Les principales utilisations de californium-252 en 1982 étaient, dans l'ordre d'utilisation, démarrage du réacteur (48,3%), la numérisation de barre de combustible (25,3%), et l'analyse d'activation (19,4%). En 1994 plus californium-252 a été utilisé dans la radiographie neutronique (77,4%), grâce à la numérisation de barre de combustible (12,1%) et le réacteur démarrage (6,9%) que les utilisations secondaires importants, mais lointains.

Californium-251 a une très petite masse critique (environ 5 kg), létalité élevée, et une période relativement courte de l'irradiation de l'environnement toxique. La faible masse critique de californium a conduit à certaines des affirmations exagérées au sujet des utilisations possibles de l'élément.

En Octobre 2006, des chercheurs ont annoncé que trois atomes de ununoctium (élément 118) avaient été identifiés à la Institut unifié de recherches nucléaires dans Dubna, en Russie , comme le produit de bombardement de californium 249 avec calcium -48, ce qui en fait l'élément le plus lourd jamais synthétisé. L'objectif de cette expérience contenait environ 10 mg de californium-249 déposés sur une feuille de titane de 32 cm ^2. Californium a également été utilisé pour produire d'autres éléments transuraniens; par exemple, élément 103 (plus tard appelé lawrencium ) a été synthétisé en 1961 par bombardement du californium avec bore noyaux.

Précautions

Californium que se accumule dans les tissus squelettiques presse rayonnement qui perturbe la capacité du corps à former les globules rouges. L'élément ne joue aucun rôle biologique naturel dans tout organisme en raison de sa radioactivité intense et faible concentration dans l'environnement.

Californium peut pénétrer dans l'organisme à partir de l'ingestion d'aliments ou de boissons contaminés ou en respirant l'air avec des particules en suspension de l'élément. Une fois dans le corps, seulement 0,05% du californium va atteindre la circulation sanguine. Environ 65% de cette californium sera déposé dans le squelette, 25% dans le foie, et le reste dans d'autres organes, ou excrété, principalement dans l'urine. La moitié de la californium déposé dans le squelette et le foie ont disparu en 50 et 20 ans, respectivement. Californium dans le squelette adhère aux surfaces osseuses avant de migrer lentement tout au long de l'os.

L'élément est le plus dangereux se il est pris dans le corps. En outre, californium-249 et le californium-251 peuvent endommager les tissus à l'extérieur, à travers émission de rayons gamma. Rayonnement émis par californium sur l'os et le foie ionisants peut causer le cancer.