Новости химической науки > ЯМР на ядрах плутония – теперь возможно

Спустя полвека упорных попыток спектроскопистам, наконец, удалось зарегистрировать спектр ядерного магнитного резонанса на ядрах ²³⁹Pu. Полученные результаты могут оказаться полезными для будущих исследований в области физики твердого тела этого важного ядерного топлива, а также могут быть использованы для создания систем долговременного хранения отработанного ядерного топлива.

Ядра нуклида ²³⁹Pu характеризуются спином ½ и большим значением ядерного момента, что обуславливает активность этого ядра в условиях регистрации спектров ЯМР. Тем не мене, другие характеристики этого атома, например – значительное внутренне магнитное поле, причиной возникновения которого является чрезвычайно сильное взаимодействие между ядром атома и неспаренными электронами, затрудняет получение качественного спектра. Напряженность внутреннего магнитного поля ²³⁹Pu составляет около 100 Тесла, поэтому ЯМР спектр на несколько порядков не «вписывается» в область электромагнитных частот, традиционно применяющихся в ЯМР-спектроскопии. Более того, время спиновой релаксации ядра ²³⁹Pu составляет менее микросекунды, это и описанное выше обстоятельства десятилетиями не давали исследователям получить ЯМР спектр ²³⁹Pu хорошего разрешения, хотя приз в гонке за качественным спектром ЯМР ²³⁹Pu, конечно же, стоил бы потраченных усилий.

Хироси Ясуока (Hiroshi Yasuoka) с коллегами из Национальной Лаборатории Лос Аламос и Агентству Атомной Энергетики Японии изучили высокочистый оксид плутония(IV), содержание магнитно активного изотопа ²³⁹Pu в котором составляло около 94%.

С помощью нового метода можно определить окружение ²³⁹Pu в стеклаобразных материалах, применяющихся для длительного захоронения ядерных отходов.

Для получения долгожданного спектра исследователи использовали стандартную импульсную методику регистрации ЯМР-спектров при 4K. Первоначально образец подвергали воздействию поля с напряженностью от 3 до 8 Тесла с шагом в 0.06 Тесла, удерживая фиксированную частоту в 16.51 МГц. Собранные с помощью такого подхода данные позволили исследователям вычислить, что четкий сигнал наблюдался при напряженности около 5.8 Теста. Получение результатов облегчал тот факт, что плутоний(IV) в PuO₂ находится в немагнитном основном состоянии, что позволяет исключить влияние побочных парамагнитных эффектов.

На следующем этапе исследователи смогли оптимизировать условия регистрации спектра ЯМР, получив в результате значение гиромагнитного отношения (gamma-n) для атома плутония-239. Гиромагнитное отношение представляет отношение магнитного дипольного момента к его угловому моменту, это отношение необходимо для вычисления энергетической разницы между спиновыми состояниями +½ и -½ и резонансной частоте определенного магнитно активного ядра в определенном химическом окружении, что позволяет расшифровывать строение химического соединения по его спектру.

Исследователи подчеркивают, что плутоний и его соединения характеризуются достаточно сложными химическими свойствами. Этот элемент может принимать различные степени окисления, четыре из которых могут участвовать в равновесиях в растворе, помимо этого элемент характеризуется большим количеством твердых соединений нестехиометрического состава. Ясуока с коллегами изучал субстехиометрическую форму диоксида плутония, в спектре которой наблюдалось два сигнала, отвечающие атомам плутония в различном кислородном окружении.

Источник: Science, 2012, 336, 901 (DOI: 10.1126/science.1220801)

метки статьи: #аналитическая химия, #радиохимия и химия высоких энергий