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Ts(未知特性)
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(Uqq)
外观
银白色,在空气中的失去光泽为深灰色
概况
名称·符号·序数 钚(Plutonium)·Pu·94
元素类别 锕系金属
·周期· 3·7·f
标准原子质量 (244)
电子排布

[Rn] 5f6 7s2
2, 8, 18, 32, 24, 8, 2

钚的电子层(2, 8, 18, 32, 24, 8, 2)
历史
发现 格伦·西奥多·西博格Arthur WahlJoseph W. Kennedy埃德温·麦克米伦(1940至1941年)
物理性质
物态 固态
密度 (接近室温
19.816 g·cm−3
熔点时液体密度 16.63 g·cm−3
熔点 912.5 K,639.4 °C,1182.9 °F
沸点 3505 K,3228 °C,5842 °F
熔化热 2.82 kJ·mol−1
汽化热 333.5 kJ·mol−1
比热容 35.5 J·mol−1·K−1

蒸汽压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1756 1953 2198 2511 2926 3499
原子性质
氧化态 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1
两性氧化物)
电负性 1.28(鲍林标度)
电离能 第一:584.7 kJ·mol−1
原子半径 159 pm
共价半径 187±1 pm
杂项
晶体结构 单斜
磁序 顺磁性[1]
电阻率 (0 °C)1.460 µ Ω·m
热导率 6.74 W·m−1·K−1
膨胀系数 (25 °C)46.7 µm·m−1·K−1
声速 2260 m·s−1
杨氏模量 96 GPa
剪切模量 43 GPa
泊松比 0.21
CAS号 7440-07-5
最稳定同位素

主条目:钚的同位素

同位素 丰度 半衰期 方式 能量MeV 产物
238Pu 痕量 87.74年 自发裂变 204.66[2]
α 5.5 234U
239Pu 100% 2.41 × 104 自发裂变 207.06
α 5.157 235U
240Pu 痕量 6.5 × 103 自发裂变 205.66
α 5.256 236U
241Pu 人造 14年 β 0.02078 241Am
自发裂变 210.83
242Pu 痕量 3.73 × 105 自发裂变 209.47
α 4.984 238U
244Pu 痕量 8.08 × 107 α 4.666 240U
自发裂变

Plutonium,台湾“”)是原子序数94、元素符号Pu放射性超铀元素。它属于锕系金属,外表呈银白色,接触空气后容易腐蚀、氧化,在表面生成无光泽的二氧化钚。钚有六种同素异形体和四种氧化态,易和卤素起化学反应。钚暴露在潮湿的空气中时会产生氧化物氢化物,其体积最大可膨胀70%,屑状的钚能自燃。它也是一种放射性毒物,会于骨髓中富集。因此,操作、处理钚元素具有一定的危险性。

钚是天然存在于自然界中质量最重的原子。它最稳定的同位素钚-244半衰期约为八千万年,足够使钚以微量存在于自然环境中[3]

钚最重要的同位素钚-239半衰期为2.41万年,常被用来制造核子武器。钚-239和钚-241都易于裂变,即它们的原子核可以在慢速热中子撞击下产生核分裂,释出能量、伽马射线以及中子辐射,从而形成核连锁反应,并应用在核武器核反应堆上。

钚-238的半衰期为88年,并放出α粒子。它是放射性同位素热电机的热量来源,常用于驱动太空船

钚-240自发裂变的比率很高,容易造成中子通量激增,因而影响了钚作为核武及反应器燃料的适用性。

分离钚同位素的过程成本极高又耗时费力,因此钚的特定同位素时几乎都是以特殊反应合成。

1940年,格伦·西奥多·西博格埃德温·麦克米伦首度在柏克莱加州大学实验室,以撞击铀-238而合成钚元素。麦克米伦将这个新元素取名Pluto(意为冥王星),西博格便开玩笑提议定其元素符号为Pu(音类似英语中表嫌恶时的口语“pew”)。科学家随后在自然界中发现了微量的钚。二次大战曼哈顿计划则首度将制造微量钚元素列为主要任务之一,曼哈顿计划后来成功研制出第一个原子弹。1945年7月的第一次核试验三一试验”,以及第二次、投于长崎市的“胖子原子弹”,都使用了钚制作内核部分。关于钚元素的人体辐射实验研究并在未经受试者同意之下进行,二次大战期间及战后都有数次核试验相关意外,其中有的甚至造成伤亡。核能发电厂核废料的清除,以及冷战期间所打造的核武建设在核武裁减后的废用,都延伸出日后核武扩散以及环境等问题。非陆上核试验也会释出残余的原子尘,现已依《部分禁止核试验条约》明令禁止。

特性[编辑]

物理性质[编辑]

钚和多数金属一样具银灰色外表,又与特别相似,但它在氧化后会迅速转为暗灰色(有时呈黄色或橄榄绿),而将其氧化后,会产生一定的热能。[4][5]。钚在室温下以α型存在,是元素最普遍的结构型态(同素异形体),质地如铸铁般坚而易脆,但与其他金属制成合金后又变得柔软而富延展性。钚和多数金属不同,它不是的良好导体。它的熔点很低(640 °C),而沸点异常的高(3327 °C)[4]

钚最普遍释放的电离辐射类型是α粒子发射(即释放出高能的原子核)[6]。最典型的一种核子武器核心即是以5公斤(约12.5 × 1024个)钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年,故其每秒约有11.5 × 1012个钚原子产生衰变,发射出5.157 MeV的α粒子,相当于9.68瓦特能量。α粒子的减速会释放出热能,使触摸时感觉温暖[7][8]

电阻率是表物质所能抵抗电流流经强度的物理量。钚室温时的电阻率比一般金属高很多,而且钚和多数金属相反,其电阻率随温度降低而提高[9]。但近期研究指出,当温度降至100K以下时,钚的电阻率会急遽降低[9]。电阻率由于辐射损伤,会在20K之后逐渐提高,速率因同位素结构而异[9]

钚具有自发辐射性质,使得晶体结构产生疲劳,即原有秩序的原子排列因为辐射而随时间产生紊乱[10]。然而,当温度上升超过100K时,自发辐射也能导致退火,削弱疲劳现象[11]

钚和多数金属不同:它的密度在熔化时变大(约2.5%),但液态金属的密度又随温度呈线性下降[9]。另外,接近熔点时,钚的液态金属具有很高的黏性表面张力(相较于其他金属)[10]

同核异构体[编辑]

钚因周围压力变化而有六种同素异形体:α、β、γ、δ、δ'及ε[12]

在一般情况下,钚有六种同素异形体,并在高温、限定压力范围下有第七种(ζ)存在[12]。这些同素异形体的内能相近,但拥有截然不同的密度晶体结构。因此钚对温度、压力以及化学性质的变化十分敏感,各同素异形体的体积并随相变而具有极大差异性[10]。密度因同核异构体而异,范围自16.00 g/cm3到19.86 g/cm3不等[13]

诸多同素异形体的存在,造成钚的状态易变,使钚元素的制造变得非常困难。例如,α型存在于室温的纯钚中。它和铸铁有许多相似加工后性质,但只要稍微提高温度,便会转成具有可塑性和可锻造性的β型[14]。造成钚复杂相图的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型属于低对称性的单斜结构,因此促成它的易碎性、强度、压缩性及低传导性[12]

核分裂[编辑]

生锈的圆柱状金属
电解法精炼的武器级钚元素环状物。环状物重5.3公斤,直径约11公分,足够制作一枚核弹。它的形状有助于维系临界安全

钚是一种具放射性的锕系金属。它的5f电子是离域和定域之间的过渡界线;钚因此常被认为是最复杂的元素之一[15]。它的同位素钚-239是三个最重要的易裂变同位素之一(另外二者为铀-233铀-235[16]钚-241也具有高度易裂变性。所谓的具“易裂变性”(fissile),是指同位素的原子核受到慢中子撞击后,能够产生核分裂,并另释放出足以支持核连锁反应、进一步促使原子核分裂的中子。

同位素与人造元素[编辑]

钚有二十种放射性同位素。其中寿命最长的有钚-244(半衰期为8080万年)、钚-242(半衰期为373300年)及钚-239(半衰期为24110年)。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。钚也有八种亚稳态,但状态并不稳定、半衰期都不超过一秒[6]

钚的同位素的质量数范围从228到247不等。其中质量数低于钚-244(最稳定的同位素)的同位素,主要的衰变方式自发裂变α衰变,衰变产物通常生成铀(92个质子)和(93个质子)的同位素(忽略裂变过程产生之二子核的大范围)。质量数大于钚-244的同位素则以β衰变为主要衰变方式,衰变产物多为(95个质子)。钚-241是镎衰变系母同位素,透过β粒子或电子放射衰变成镅-241[6][7]

钚-238和钚-239是最普遍的人造同位素[7]。钚-239是使用铀(U)和中子(n),并以(Np)作为中间体,产生β衰变(β),透过下列反应合成[17]

铀-235裂变中的中子被铀-238原子核俘获、形成铀-239;β衰变将一个中子转变成质子,形成镎-239(半衰期为2.36日),另一次β衰变则形成钚-239[18]合金管工程的学者曾在1940年推导出此反应式。

钚-238是以氘核(D,重的原子核)撞击铀-238,透过下列反应合成[19]

在此反应过程中,一个氘核撞击-238,生成两个中子和镎-238;-238再发射负β粒子、产生自发衰变,形成钚-238。

衰变热与裂变性质[编辑]

钚同位素会发生放射性衰变,释放出衰变热。不同的同位素,单位质量所释出的热量也有所差异。衰变热的单位通常以“瓦特/公斤”或“毫瓦特/公克”计。所有同位素在衰变时都会释放出微弱的伽马射线。

钚同位素的衰变热[20]
同位素 衰变方式 半衰期(年) 衰变热(W/kg) 自发裂变中子(1/(g·s)) 简介
钚-238 α衰变成为铀-234 87.74 560 2600 衰变热极高。即使量少也能显著自燃。使用于放射性同位素热电机
钚-239 α衰变成为铀-235 24100 1.9 0.022 现最主要使用的易裂变同位素。
钚-240 α衰变成为铀-236
自发裂变
6560 6.8 910 钚-239同位素的主要杂质。
钚-241 β衰变成为镅-241 14.4 4.2 0.049 衰变成为镅-241;辐射危害的早期研究对象。
钚-242 α衰变成为铀-238 376000 0.1 1700

混合物与化学性质[编辑]

五支盛装着溶液试管:蓝紫色、贴有标签“Pu(III)”;深棕色、贴有标签“Pu(IV)HClO4”;浅紫色、贴有标签“Pu(V)”;浅棕色、贴有标签“Pu(VI)”;墨绿色、贴有标签“Pu(VII)”。
钚在溶液中的各种氧化态

室温时,纯钚金属是银灰色、但因氧化而锈蚀[7]。钚在水溶液中形成四种离子氧化态[13]

  • Pu(III) — Pu3+(蓝紫色)
  • Pu(IV) — Pu4+(黄棕色)
  • Pu(V) — PuO2+(粉红色?)[注 1]
  • Pu(VI) — PuO22+(粉桔色)
  • Pu(VII) — PuO53−(绿色)–七价离子较稀有

钚溶液所呈现的颜色决定于氧化态和酸阴离子的性质[21]。钚的酸阴离子种类影响了错合(原子与中心原子结合)的程度。

历史[编辑]

发现[编辑]

1934年,恩里科·费米罗马大学的研究团队发布消息,表示他们发现了元素94[22]。费米将元素取名 hesperium,并曾在他1938年的诺贝尔奖演说中提及[23]。然而,他们的研究成果其实是等许多其他元素的混合物,但由于当时核分裂尚未发明,这个误会便一直延续[24]

一位年长男人身着西装、看着镜头左方。
格伦·西奥多·西博格和他在柏克莱的团队首度制造出钚。

1940年12月14日,钚(特别是钚-238)才首度被制造、独立分离出。1941年2月23日,格伦·西奥多·西博格埃德温·麦克米伦约瑟夫·肯尼迪欧亚哲英语Arthur Wahl博士在柏克莱加州大学,在一个60英寸(150公分)的回旋加速器中以氘核撞击铀、首度成功地以物理方法得到钚元素[25]。在1940年的实验里,科学家以撞击直接制造出-238,但在二天后产生β衰变,后被认定是元素94的形成[26]

1941年3月,科学家团队将报告寄给《物理评论》杂志[26],但由于发现了新元素的同位素(钚-239)能产生核分裂、往后或许能用于制造原子弹,而在出版前遭到撤回。基于安全因素,报告延迟了一年、直到二次大战结束后才顺利登载[27]

埃德温·麦克米伦将前发现的超铀元素以行星海王星(Neptune)命名,并提议以冥王星(Pluto)为系列的下一个元素、即元素94取名[7]。西博格原先属意取名“plutium”,但后来认为它的发音不如“plutonium”[28]。他在一次玩笑中选择“Pu”作为元素符号,却在没有被事先通知的情况下,意外被正式纳入元素周期表。西博格亦曾因为误信他们已经找到周期表中最后一个可能存在的元素,而考虑过“ultimium”(意为“最终”)或“extremium”(意为“极度”)等名称。[29]

曼哈顿项目[编辑]

两名工人在移动平台上向X-10石墨堆英语X-10 Graphite Reactor插入铀燃料棒。

世界上第一座钚生产堆是1943年3月杜邦公司橡树岭建设的X-10石墨堆英语X-10 Graphite Reactor及配套的钚化学分离厂。反应堆是边长为7.3 m的立方体,重1,500吨,由厚达2.1 m的高密度混凝土墙构成辐射防护屏障。铀燃料装在铝质外壳的燃料棒内。空气强制冷却。1943年11月3日装入30吨铀后临界运行,功率500至4000 kW,月产钚500毫克。

1944年6月汉福德B-反应堆。

为了批产钚239,1943年10月10日杜邦公司开始在华盛顿州汉福德建设大型石墨水冷反应堆。功率25万千瓦。混凝土厂房高37米。计划建造6座反应堆,1944年2月反应堆动工,三座反应堆分别于1944年9月13日、12月17日、1945年2月5日启动。

1944年4月,Emilio Segrè发现反应堆增殖钚的自发裂变率是加速器制造钚的5倍,这是因为前者含有一定量的钚-240,因此不适用枪型原子弹,只能用于内爆原子弹。

冷战的使用与滥用[编辑]

冷战期间,苏联美方都密集贮存大量的武器级钚元素。美国在华盛顿州汉福德基地(Hanford Site)和萨凡纳河基地(Savannah River Site)的核反应器便制造了103公吨钚元素[30],俄国估计也有170公吨产量的武器级钚元素[31]核能工业每年约产出20公吨的副产物钚元素[13]。多达1000公吨的钚受到储存,其中超过200公吨或用于制作、或提炼自核武器之中[26]斯德哥尔摩国际和平研究所(SIPRI)估计迄2007年全球约有500公吨的钚库存量,平均分配于军用和民用[32]

医学实验[编辑]

自二次大战起,曼哈顿计划和其他核武研究计划的科学家便着手研究钚对实验动物及人体的影响[33]。科学家发现,动物组织内只要含达每公斤数毫克的钚就能致死[34]

人体实验方面,科学家以医院内迈入绝症末期,或因年龄或慢性疾病使预期寿命低于十年的患者为对象,在体内注射五微克剂量的钚溶液[33]。1945年7月,科学家在动物研究发现钚在骨骼中扩散的情形危险程度更甚于后,将人体注射剂量改降至一微克[34]

其中十八名人体实验对象是在非知后同意的情况下被注射钚溶液。人体实验的目的是为了制作测定人体对钚的吸收速度的诊断工具,以订定对钚相关工作的安全标准[33]

这起事件现被认为是对医学伦理希波克拉底誓词的严重违背。许多评论者虽认同此举确实违背了信任及道德原则,但“钚物质注射对人体的影响并不像初期新闻故事所描绘的那么严重、有害”,不过“也不像当时和现今科学家所相信的、没有丝毫的负面作用”[35]

应用[编辑]

原子弹[编辑]

原子弹爆炸蕈状云(灰色蕈梗和白色蕈顶)的照片。
1945年投于日本长崎市的原子弹内含一个钚核。

同位素钚-239是核武器中最重要的裂变成分。将钚核置入反射体(质量数大的物质的反射层)中,能使逃逸的中子再反射回弹心,减少中子的损失,进而降低钚达到临界质量的标准量:从原需16公斤的钚,可减少至10公斤,即一个直径约10公分的球体的量[36]。它的临界质量约仅有铀-235的三分之一[7]

曼哈顿计划期间制造的“胖子原子弹”型钚弹,为了达到极高的密度而选择使用易爆炸、压缩的钚,再结合中心中子源,以刺激反应进行、提高反应效率。因此,钚弹只需6.2公斤钚便可达到爆炸当量,相当于2万吨的三硝基甲苯(TNT)[37][38](参见核武器设计)。在理想假设中,仅仅4公斤的钚原料(甚至更少),只要搭配复杂的装配设计,就可制造出一个原子弹[38]

核废料[编辑]

一般轻水反应堆所产生的核废料中含有钚,但为钚-242、钚-239和钚-238的混合物。它的浓度不足以制作成核武器,不过可以改用作一次性的混氧燃料(MOX fuel)。在反应堆中以慢速热中子放射线照射钚时,会偶然发生中子俘获,而增加钚-242和钚-240的量。因此反应进行到第二轮之后,钚只能和快中子反应堆反应、消耗。在反应器中没有快中子时(普遍情况下),剩余的钚通常会被遗弃,形成寿命长、处理棘手的核废料成分。

能源与热源[编辑]

圆形坑中有一个散发出橘光的圆柱体。
发出光、热的238PuO2球状矿

同位素钚-238的半衰期为87.74年[39]。它会放出大量热能,伴随着低能的伽马自发裂变射线/粒子[40]。它是α辐射体,同时具有高辐射能及低穿透性,故仅需低度防护措施。单一纸张就可以抵挡钚-238所放射出的α粒子;同时,每公斤的钚-238可产生约570瓦特热能[7][40]。以上特性使钚-238适宜用于制作放射性同位素热电机

谣传[编辑]

中国大陆百科网站百度百科曾经谣传只要约一粒方糖大小(约5)的钚便足以令全球人类死亡。香港无线电视新闻节目曾引用此谣传,结果被当地监管机构警告,指报道令观众惊恐,未有提供足够证据确保报道准确[41]

根据报导,中国核科学家邓稼先曾在1979年一次核航弹空投试验失败后接触过用于制造其核装置的钚,最终仍活到1986年(死因为长期放射伤害导致的癌症),可见钚并没有如谣言中所描述的剧烈急毒性。[42]

参见[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ PuO2+离子在溶液中十分不稳定,所占比例不比Pu4+和PuO22+;Pu4+又会将剩余PuO2+氧化成PuO22+,PuO22+再转而形成Pu3+. 因此,钚水溶液会渐渐趋向Pu3+ 和PuO22+的混合溶液。
    Crooks, William J. Nuclear Criticality Safety Engineering Training Module 10 – Criticality Safety in Material Processing Operations, Part 1 (PDF). 2002 [2006-02-15]. (原始内容 (PDF)存档于2006-03-20). 

参考资料[编辑]

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  6. ^ 6.0 6.1 6.2 NNDC contributors; Alejandro A. Sonzogni (Database Manager). Chart of Nuclides. Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. 2008 [2008-09-13]. 
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参考书目[编辑]

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外部链接[编辑]