Approfondimenti: La scoperta del Plutonio
L'elemento transuranico, plutonio, fu il primo ad elemento sintetico ad essere prodotto su larga scala. Oltre ad essere fissionabile, ha interessanti e insolite proprietà chimiche e metallurgiche. La storia della sua scoperta e isolamento è tra le più affascinanti della scienza. La distinzione tra scoperta e isolamento è importante. Scoperta vuol dire la prima prova chimica e nucleare dell'esistenza degli atomi di un nuovo elemento, mentre isolamento è l'ottenimento della prima quantità pesabile in forma pura.
La ricerca degli elementi transuranici iniziò con Fermi e continuò infaticabile. Nella primavera del 1940, Edward McMillan e Philip Abelson, lavorando presso l'Università della California a Berkeley (UCB), esposero un bersaglio di uranio naturale a neutroni di 12 MeV prodotti bombardando Be con un ciclotrone che accelerava deutoni (2H1).
\[^{238}U_{92} + ^1n_0 \rightarrow ^{239}U_{92} + \gamma\]
\[^{239}U_{92}\left(t_{\frac{1}{2}}=23,5 minuti \right) \rightarrow ^{239}Np_{93} +\beta- \]
McMillan e Abelson furono in grado di dimostrare che le proprietà chimiche e nucleari del prodotto seguito al decadimento beta dell'U-239 erano uniche e così scoprirono il primo elemento transuranico, numero atomico 93. Fu chiamato nettunio (Np) come Nettuno, il pianeta subito dopo Urano. Ma il primo isolamento del nettunio non avvenne fino all'ottobre 1944.
Nell'estate del 1940, Glen Seaborg, Arthur Wahl e Joseph Kennedy, un gruppo di chimici al UCB, iniziò la ricerca dell'elemento 94, che ritenevano essere il prodotto del decadimento beta del Np-239. Continuando la ricerca dell'elemento 94 nell'inverno del 1941, bombardarono ossido di uranio con deutoni da 16 MeV al ciclotrone di Berkeley. Identificarono chimicamente un altro isotopo del nettunio, Np-238, che decadeva per emissione beta in un isotopo dell'elemento 94 (plutonio) che emetteva a sua volta particelle alfa.
\[^{238}U_{92} + ^{2}H_{1} \rightarrow ^{238}Np_{93} +2n\]
\[^{238}Np_{93} \left(t_{\frac{1}{2}}=2,12 giorni\right) \rightarrow ^{238}Pu_{94} + \beta^-\]
\[^{238}Np_{94} \left(t_{\frac{1}{2}}=90 anni\right) \rightarrow ^{236}U_{92} + \alpha\]
L'emettitore Pu di particelle alfa fu separato chimicamente dall'U, Np, e altri prodotti di reazione e ossidato con perossidsolfato di potassio, K2S2O8. Gli altri prodotti di questo bombardamento con neutroni non si ossidavano con il K2S2O8 e rimanevano così insoluti. L'attività alfa (400 conteggi / minuto) usata per tracciare il Pu fu concentrata nella soluzione risultante. La soluzione di Pu fu poi ridotta ad uno stato di ossidazione inferiore con SO2 e precipitata come un fluoruro usando Ce3+ and La3+ come mediatori. questa chimica, basata su reazioni di ossidazione, riduzione e precipitazione, fornì in seguito le basi per la produzione su scala industriale del plutonio. L'energia delle particelle alfa e l'attività era unica e fu individuato così un nuovo elemento. Allo stesso tempo, Seaborg e Wahl non poterono identificare quale isotopo del Pu produceva l'attività alfa. Fu più tardi identificato come Pu-238.
Poi nella primavera del 1941, un altro isotopo più importante del plutonio, Pu-239, fu prodotto con neutroni al ciclotrone di Berkeley bersagliando un composto di uranio circondato da paraffina. Come aveva scoperto il gruppo di Fermi, la paraffina agisce come moderatore per rallentare i neutroni e aumenta le possibilità di interazioni con il bersaglio. questo nuovo isotopo del Pu, un emettitore alfa con una vita media di circa 24000 anni, fu separato dagli altri prodotti di reazione usando la stessa chimica usata per isolare il Pu-238. Tuttavia, la vita media più lunga del Pu-239 riduceva la sua attività, rendendo più difficile la sua rivelazione rispetto al Pu-238.
\[^{238}U_{92}+ n \rightarrow ^{239}U_{92} +\gamma\]
\[^{239}U_{92}\left(t_{\frac{1}{2}}=23,5 minuti \right) \rightarrow ^{239}Np_{93} +\beta- \]
\[^{239}Np_{93}\left(t_{\frac{1}{2}}=2,35 giorni \right) \rightarrow ^{239}Pu_{94} +\beta- \]
\[^{239}Pu_{93}\left(t_{\frac{1}{2}}=24110 anni \right) \rightarrow ^{235}U_{92} +\alpha \]
Nel marzo del 1941, il gruppo di Seaborg irradiò un campione che conteneva 0.25 microgrammi di Pu-239 circondato da paraffina con neutroni prodotti nel ciclotrone. Sotto queste condizioni, questo isotopo dava luogo alla fissione. Quando il Pu fu sostituito con un campione contenente circa 0.5 mg di U-235, l'altro materiale fissionabile noto, si osservò ancora fissione indotta da neutroni, ma con una intensità circa la metà di quella del Pu-239. Questa scoperta aumentò la possibilità di usare una reazione a catena controllata per produrre quantità di Pu-239 sufficiente per un'arma nucleare. Il prodotto del Pu-239 doveva essere separato dall'uranio che non aveva reagito e dai prodotti di fissione con metodi chimici. Divenne importante investigare sulla chimica del plutonio per sviluppare procedure di separazione su larga scala.
Comunque, nell'estate del 1942, il ciclotrone era il solo mezzo per produrre plutonio, e le quantità prodotte erano così piccole che non potevano essere viste o pesate con le bilance esistenti. I calcoli mostravano che lunghi periodi di bombardamento dell'uranio nel ciclotrone con neutroni producevano solo qualche microgrammo di Pu-239, molto meno di quanto era normalmente richiesto per determinare le proprietà chimiche e fisiche di un nuovo elemento. la preparazione e misura di tali piccole quantità di plutonio richiedeva lo sviluppo di tecniche e dispositivi "ultra microchimici".
La prima pesatura di un composto di plutonio fu fatta nel Settembre del 1942, quando 2.77 mg di PuO2 furono posti su una bilancia opportunamente progettata per piccole masse e calibrata con fili di platino. Nel novembre 1943, fu preparato il primo plutonio puro metallico riducendo 35 microgrammi di PuF4 con bario metallico a 1400° C. Il plutonio metallico appare come globi argentei del peso di circa 3 microgrammi ciascuno e con una densità stimata di 16 g/ml.
Sebbene l'isotopo Pu-239 sia un materiale fissionabile adatto per la bomba o per la produzione di energia, la realizzazione pratica di questa possibilità richiede una grande quantità di tale isotopo. La produzione su larga scala del Pu-239 richiede una reazione nucleare a catena controllata dell'uranio, un'impresa che è già stata ottenuta da Enrico Fermi e Leo Szilard a Chicago.
