Plutonium,)是原子序数94、元素符號為Pu放射性超鈾元素。它屬於錒系金屬,外表呈銀白色,接觸空氣後容易腐蝕、氧化,在表面生成無光澤的二氧化鈽。鈽有六种同素異形體和四種氧化態,易和碳、鹵素、氮、矽起化學反應。鈽暴露在潮濕的空氣中時會產生氧化物和氫化物,其體積最大可膨脹70%,屑狀的钚能自燃。它也是一种放射性毒物,会於骨髓中富集。因此,操作、處理鈽元素具有一定的危險性。

   94Pu




(Uqq)
錼 ← → 鋂
外觀
銀白色,在空氣中的失去光澤為深灰色
概況
名稱·符號·序數 鈽(Plutonium)·Pu·94
元素類別 錒系金屬
族·週期·區 3 ·7·f
標準原子質量 (244)
電子排布

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

鈽的电子層(2, 8, 18, 32, 24, 8, 2)
歷史
發現 格倫·西奧多·西博格Arthur WahlJoseph W. Kennedy埃德溫·麥克米倫(1940至1941年)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室温
19.816 g·cm−3
熔點時液體密度 16.63 g·cm−3
熔點 912.5 K,639.4 °C,1182.9 °F
沸點 3505 K,3228 °C,5842 °F
熔化熱 2.82 kJ·mol−1
汽化熱 333.5 kJ·mol−1
比熱容 35.5 J·mol−1·K−1

蒸氣壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1756 1953 2198 2511 2926 3499
原子性質
氧化態 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1
(兩性氧化物)
電負性 1.28(鲍林标度)
電離能 第一:584.7 kJ·mol−1
原子半徑 159 pm
共價半徑 187±1 pm
雜項
晶體結構 單斜
磁序 順磁性[1]
電阻率 (0 °C)1.460 µ Ω·m
熱導率 6.74 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)46.7 µm·m−1·K−1
聲速 2260 m·s−1
楊氏模量 96 GPa
剪切模量 43 GPa
泊松比 0.21
CAS號 7440-07-5
最穩定同位素

主条目:鈽的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
238Pu 痕量 87.74年 SF 204.66[2]
α 5.5 234U
239Pu 100% 2.41 × 104 SF 207.06
α 5.157 235U
240Pu 痕量 6.5 × 103 SF 205.66
α 5.256 236U
241Pu 人造 14年 β 0.02078 241Am
SF 210.83
β 241Am
242Pu 痕量 3.73 × 105 SF 209.47
α 4.984 238U
244Pu 痕量 8.08 × 107 α 4.666 240U
SF

鈽是天然存在於自然界中質量最重的原子。它最穩定的同位素是鈽-244,半衰期約為八千萬年,足夠使鈽以微量存在於自然環境中。鈽最重要的同位素是鈽-239,半衰期為2.41萬年,常被用來製造核子武器。[3] 鈽-239和鈽-241都易于裂變,即它們的原子核可以在慢速熱中子撞擊下產生核分裂,釋出能量、伽馬射線以及中子輻射,從而形成核連鎖反應,並應用在核武器核反應爐上。另外,鈽-238的半衰期為88年、並放出α粒子,它是放射性同位素熱電機的熱量來源,常用於驅動太空船;而鈽-240自發裂變的比率很高,容易造成中子通量激增,因而影響了鈽作為核武及反應器燃料的適用性。分離鈽同位素的過程成本極高又耗時費力,因此鈽的特定同位素時幾乎都是以特殊反應合成。

1940年,格倫·西奧多·西博格埃德溫·麥克米倫首度在柏克萊加州大學實驗室,以撞擊鈾-238而合成鈽元素。[4][5]麥克米倫將這個新元素取名Pluto(意為冥王星),西博格便開玩笑提議定其元素符號為Pu(音類似英語中表嫌惡時的口語「pew」)。科學家隨後在自然界中發現了微量的鈽。第二次世界大战期间,曼哈頓計劃則首度將製造微量鈽元素列為主要任務之一,曼哈頓計劃後來成功研製出第一個原子彈。1945年7月的第一次核試驗「三一试验」,以及第二次、投於長崎市的「胖子原子彈」,都使用了鈽製作內核部分。[6]關於鈽元素的人體輻射實驗研究並在未經受試者同意之下進行,二次大戰期間及戰後都有數次核試驗相關意外,其中有的甚至造成傷亡。核能發電廠核廢料的清除,以及冷戰期間所打造的核武建設在核武裁減後的廢用,都延伸出日後核武擴散以及環境等問題。非陸上核試驗也會釋出殘餘的原子塵,現已依《部分禁止核試驗條約》明令禁止。

特性

物理性質

鈽和多數金屬一樣具銀灰色外表,又與鎳特別相似,但它在氧化後會迅速轉為暗灰色(有時呈黃色或橄欖綠),而將其氧化後,會產生一定的熱能。[7][8]。鈽在室溫下以α型存在,是元素最普遍的結構型態(同素異形體),質地如鑄鐵般堅而易脆,但與其他金屬製成合金後又變得柔軟而富延展性。鈽和多數金屬不同,它不是的良好導體。它的熔點很低(640 °C),而沸點異常的高(3327 °C)[7]

鈽最普遍釋放的游離輻射類型是α粒子發射(即釋放出高能的氦原子核)[9]。最典型的一種核子武器核心即是以5公斤(約12.5 × 1024個)鈽原子構成。由於鈽的半衰期為24100年,故其每秒約有11.5 × 1012個鈽原子產生衰變,發射出5.157 MeV的α粒子,相當於9.68瓦特能量。α粒子的減速會釋放出熱能,使觸摸時感覺溫暖[10][11]

電阻率是表物質所能抵抗電流流經強度的物理量。鈽室溫時的電阻率比一般金屬高很多,而且鈽和多數金屬相反,其電阻率隨溫度降低而提高[12]。但近期研究指出,當溫度降至100K以下時,鈽的電阻率會急遽降低[12]。電阻率由於輻射損傷,會在20K之後逐漸提高,速率因同位素結構而異[12]

鈽具有自發輻射性質,使得晶體結構產生疲勞,即原有秩序的原子排列因為輻射而隨時間產生紊亂[13]。然而,當溫度上升超過100K時,自發輻射也能導致退火,削弱疲勞現象[14]

鈽和多數金屬不同:它的密度在熔化時變大(約2.5%),但液態金屬的密度又隨溫度呈線性下降[12]。另外,接近熔點時,鈽的液態金屬具有很高的黏性表面張力(相較於其他金屬)[13]

同核異構體

鈽因周圍壓力變化而有六種同素異形體:α、β、γ、δ、δ'及ε[15]

在一般情況下,鈽有六種同素異形體,並在高溫、限定壓力範圍下有第七種(ζ)存在[15]。這些同素異形體的內能相近,但擁有截然不同的密度晶體結構。因此鈽對溫度、壓力以及化學性質的變化十分敏感,各同素異形體的體積並隨相變而具有極大差異性[13]。密度因同核異構體而異,範圍自16.00 g/cm3到19.86 g/cm3不等[16]

諸多同素異形體的存在,造成鈽的狀態易變,使鈽元素的製造變得非常困難。例如,α型存在於室溫的純鈽中。它和鑄鐵有許多相似加工後性質,但只要稍微提高溫度,便會轉成具有可塑性和可鍛造性的β型[17]。造成鈽複雜相圖的背後因素迄今仍未被完整解惑。α型屬於低對稱性的單斜結構,因此促成它的易碎性、強度、壓縮性及低傳導性[15]

核分裂

電解法精煉的武器級鈽元素環狀物。環狀物重5.3公斤,直徑約11公分,足夠製作一枚核彈。它的形狀有助於維繫臨界安全

鈽是一種具放射性的錒系金屬。它的5f電子是離域和定域之間的過渡界線;鈽因此常被認為是最複雜的元素之一[18]。它的同位素鈽-239是三個最重要的易裂變同位素之一(另外二者為鈾-233和鈾-235)[19]鈽-241也具有高度易裂變性。所謂的具「易裂變性」(fissile),是指同位素的原子核受到慢中子撞擊後,能夠產生核分裂,並另釋放出足以支持核連鎖反應、進一步促使原子核分裂的中子。

同位素與人造元素

鈽有二十種放射性同位素。其中壽命最長的有鈽-244(半衰期為8080萬年)、鈽-242(半衰期為373300年)及鈽-239(半衰期為24110年)。其餘的放射性同位素半衰期都低於7000年。鈽也有八種亞穩態,但狀態並不穩定、半衰期都不超過一秒[9]

鈽的同位素的質量數範圍從228到247不等。其中質量數低於鈽-244(最穩定的同位素)的同位素,主要的衰變方式自發裂變α衰變,衰變產物通常生成鈾(92個質子)和錼(93個質子)的同位素(忽略裂變過程產生之二子核的大範圍)。質量數大於鈽-244的同位素則以β衰變為主要衰變方式,衰變產物多為鋂(95個質子)。鈽-241是錼衰變系母同位素,透過β粒子或電子放射衰變成鋂-241[9][10]

鈽-238和鈽-239是最普遍的人造同位素[10]。鈽-239是使用鈾(U)和中子(n),並以鎿(Np)作為中間體,產生β衰變(β),透過下列反應合成[20]

鈾-235裂變中的中子被鈾-238原子核俘獲、形成鈾-239;β衰變將一個中子轉變成質子,形成鎿-239(半衰期為2.36日),另一次β衰變則形成鈽-239[21]。合金管工程的學者曾在1940年推導出此反應式。

鈽-238是以氘核(D,重的原子核)撞擊鈾-238,透過下列反應合成[22]

在此反應過程中,一個氘核撞擊-238,生成兩個中子和鎿-238;鎿-238再發射負β粒子、產生自發衰變,形成鈽-238。

衰變熱與裂變性質

鈽同位素會發生放射性衰變,釋放出衰變熱。不同的同位素,單位質量所釋出的熱量也有所差異。衰變熱的單位通常以「瓦特/公斤」或「毫瓦特/公克」計。所有同位素在衰變時都會釋放出微弱的伽馬射線。

鈽同位素的衰變熱[23]
同位素衰變方式半衰期(年)衰變熱(W/kg)自發裂變中子(1/(g·s))簡介
鈽-238 α衰變成為鈾-234 87.74 560 2600 衰變熱極高。即使量少也能顯著自燃。使用於放射性同位素熱電機
鈽-239 α衰變成為鈾-235 24100 1.9 0.022 現最主要使用的易裂變同位素。
鈽-240 α衰變成為鈾-236
自發裂變
6560 6.8 910 鈽-239同位素的主要雜質。
鈽-241 β衰變成為鋂-241 14.4 4.2 0.049 衰變成為鋂-241;輻射危害的早期研究對象。
鈽-242 α衰變成為鈾-238 376000 0.1 1700

混合物與化學性質

鈽在溶液中的各種氧化態

室溫時,純鈽金屬是銀灰色、但因氧化而鏽蝕[10]。鈽在水溶液中形成四種離子氧化態[16]

  • Pu(III) — Pu3+(藍紫色)
  • Pu(IV) — Pu4+(黃棕色)
  • Pu(V) — PuO2+(粉紅色?)[註 1]
  • Pu(VI) — PuO22+(粉桔色)
  • Pu(VII) — PuO53−(綠色)–七價離子較稀有

鈽溶液所呈現的顏色決定於氧化態和酸陰離子的性質[24]。鈽的酸陰離子種類影響了錯合(原子與中心原子結合)的程度。

歷史

發現

1934年,恩里科·費米羅馬大學的研究團隊發布消息,表示他們發現了元素94[25]。費米將元素取名 hesperium,並曾在他1938年的諾貝爾獎演說中提及[26]。然而,他們的研究成果其實是鋇、氪等許多其他元素的混合物,但由於當時核分裂尚未發明,這個誤會便一直延續[27]

格倫·西奧多·西博格和他在柏克萊的團隊首度製造出鈽。

1940年12月14日,鈽(特別是鈽-238)才首度被製造、獨立分離出。1941年2月23日,格倫·西奧多·西博格埃德溫·麥克米倫約瑟夫·肯尼迪歐亞哲博士在柏克萊加州大學,在一個60英吋(150公分)的迴旋加速器中以氘核撞擊鈾、首度成功地以物理方法得到鈽元素[28]。在1940年的實驗裡,科學家以撞擊直接製造出錼-238,但在二天後產生β衰變,後被認定是元素94的形成[29]

1941年3月,科學家團隊將報告寄給《物理評論》雜誌[29],但由於發現了新元素的同位素(鈽-239)能產生核分裂、往後或許能用於製造原子彈,而在出版前遭到撤回。基於安全因素,報告延遲了一年、直到二次大戰結束後才順利登載[30]

埃德溫·麥克米倫將前發現的超鈾元素以行星海王星(Neptune)命名,並提議以冥王星(Pluto)為系列的下一個元素、即元素94取名[10]。西博格原先屬意取名「plutium」,但後來認為它的發音不如「plutonium」[31]。他在一次玩笑中選擇「Pu」作為元素符號,卻在沒有被事先通知的情況下,意外被正式納入元素週期表。西博格亦曾因為誤信他們已經找到週期表中最後一個可能存在的元素,而考慮過「ultimium」(意為「最終」)或「extremium」(意為「極度」)等名稱。[32]

曼哈顿项目

两名工人在移动平台上向X-10石墨反应堆插入铀燃料棒。

世界上第一座钚生产堆是1943年3月杜邦公司在橡树岭建设的X-10石墨反应堆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。

冷戰的使用與濫用

冷戰期間,蘇聯和美方都密集貯存大量的武器級鈽元素。美國在華盛頓州漢福德基地(Hanford Site)和薩凡納河基地(Savannah River Site)的核反應器便製造了103公噸鈽元素[33],俄國估計也有170公噸產量的武器級鈽元素[34]核能工業每年約產出20公噸的副產物鈽元素[16]。多達1000公噸的鈽受到儲存,其中超過200公噸或用於製作、或提煉自核武器之中[29]。斯德哥爾摩國際和平研究所(SIPRI)估計迄2007年全球約有500公噸的鈽庫存量,平均分配於軍用和民用[35]

醫學實驗

自二次大戰起,曼哈頓計畫和其他核武研究計畫的科學家便著手研究鈽對實驗動物及人體的影響[36]。科學家發現,動物組織內只要含達每公斤數毫克的鈽就能致死[37]

人體實驗方面,科學家以醫院內邁入絕症末期,或因年齡或慢性疾病使預期壽命低於十年的患者為對象,在體內注射五微克劑量的鈽溶液[36]。1945年7月,科學家在動物研究發現鈽在骨骼中擴散的情形危險程度更甚於鐳後,將人體注射劑量改降至一微克[37]

其中十八名人體實驗對象是在非知後同意的情況下被注射鈽溶液。人體實驗的目的是為了製作測定人體對鈽的吸收速度的診斷工具,以訂定對鈽相關工作的安全標準[36]

现在人们认为這次事件違反醫學倫理和希波克拉底誓詞。許多評論者雖認同此舉確實違背了信任及道德原則,但「鈽物質注射對人體的影響並不像初期新聞故事所描繪的那麼嚴重、有害」,不過「也不像當時和現今科學家所相信的、沒有絲毫的負面作用」[38]

應用

原子彈

1945年投於日本長崎市的原子彈內含一個鈽核。

同位素鈽-239是核武器中最重要的裂變成份。將鈽核置入反射體(質量數大的物質的反射層)中,能使逃逸的中子再反射回彈心,減少中子的損失,進而降低鈽達到臨界質量的標準量:從原需16公斤的鈽,可減少至10公斤,即一個直徑約10公分的球體的量[39]。它的臨界質量約僅有鈾-235的三分之一[10]

曼哈頓計畫期間製造的「胖子原子彈」型鈽彈,為了達到極高的密度而選擇使用易爆炸、壓縮的鈽,再結合中心中子源,以刺激反應進行、提高反應效率。因此,鈽彈只需6.2公斤鈽便可達到爆炸當量,相當於2萬噸的三硝基甲苯(TNT)[40][41](參見核武器設計)。在理想假設中,僅僅4公斤的鈽原料(甚至更少),只要搭配複雜的裝配設計,就可製造出一個原子彈[41]

核廢料

一般輕水反應爐所產生的核廢料中含有鈽,但為鈽-242、鈽-239和鈽-238的混合物。它的濃度不足以製作成核武器,不過可以改用作一次性的混氧燃料(MOX fuel)。在反應爐中以慢速熱中子放射線照射鈽時,會偶然發生中子俘獲,而增加鈽-242和鈽-240的量。因此反應進行到第二輪之後,鈽只能和快中子反應堆反應、消耗。在反應器中沒有快中子時(普遍情況下),剩餘的鈽通常會被遺棄,形成壽命長、處理棘手的核廢料成分。

能源與熱源

發出光、熱的238PuO2球狀礦

同位素鈽-238的半衰期為87.74年[42]。它會放出大量熱能,伴隨著低能的伽馬自發裂變射線/粒子[43]。它是α輻射體,同時具有高輻射能及低穿透性,故僅需低度防護措施。單一紙張就可以抵擋鈽-238所放射出的α粒子;同時,每公斤的鈽-238可產生約570瓦特熱能[10][43]。以上特性使鈽-238適宜用於製作放射性同位素熱電機

謠傳

中國大陸百科網站百度百科曾經謠傳只要約一粒方糖大小(約5)的鈽便足以令全球人類死亡。香港無線電視的新聞節目曾引用此謠傳,結果被當地監管機構警告,指報道令觀眾驚恐,未有提供足夠證據確保報道準確[44]

參見

  • 核子工程
  • 核燃料循環
  • 原子核物理學

註釋

  1. PuO2+離子在溶液中十分不穩定,所佔比例不比Pu4+和PuO22+;Pu4+又會將剩餘PuO2+氧化成PuO22+,PuO22+再轉而形成Pu3+. 因此,鈽水溶液會漸漸趨向Pu3+ 和PuO22+的混合溶液。
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外部連結

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