钚 - 簡(jiǎn)介

钚，原子序數(shù)94，是人工放射性元素，元素名仿照鈾、镎以冥王星命名。钚是繼镎后第二個(gè)發(fā)現(xiàn)的超鈾元素，1940年末，美國(guó)科學(xué)家西博格、麥克米倫等在美國(guó)用60英寸回旋加速器加速的16兆電子伏特氘核轟擊鈾時(shí)發(fā)現(xiàn)钚238，次年又發(fā)現(xiàn)了最重要的同位素钚239。日本東京電力公司2011年3月28日晚宣布，福島第一核電站廠區(qū)采集的土壤樣本首次檢測(cè)出放射性元素钚。

元素原子量：[244]

元素類型：金屬

發(fā)現(xiàn)人：西博格(G.T.Seaporg)、麥克米倫(E.M.McMillan)、沃爾(A.C.Wanl)和肯尼迪(J.Kcn

發(fā)現(xiàn)年代：1940年末和1941年初，由美國(guó)西博格(G.T.Seaporg)、麥克米倫(E.M.McMillan)、沃爾(A.C.Wanl)和肯尼迪(J.Kcnncdy)在回旋加速器實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。

元素來源：自然界中僅鈾礦中含有痕量。可用鋇蒸氣還原三氟化钚而制得。

元素用途：可作為核燃料和核武器的裂變劑。

元素輔助資料：緊接在镎后面的第二個(gè)超鈾元素是94號(hào)元素，于是科學(xué)家們就用太陽(yáng)系中緊挨著海王星外面的冥王星(pluto)來命名它為plutonium，元素符號(hào)是Pu。

钚 - 發(fā)現(xiàn)過程

在1940年末至1941年初，美國(guó)化學(xué)家西博格領(lǐng)導(dǎo)的小組(麥克米倫、沃爾和肯尼迪等)發(fā)現(xiàn)钚的同位素钚238。已知钚的同位素中壽命最長(zhǎng)的是钚244，半衰期是8.2×107年。金屬钚是銀白色的，與氧氣、水蒸氣和酸作用，但不與堿反應(yīng)。它和鈾一樣用于核燃料和核武器?，F(xiàn)在已經(jīng)可以獲得成噸的钚。1945年，西博格比較了镎和钚，認(rèn)為它們與鈾的性質(zhì)相似，同時(shí)又與稀土元素中釤相似，在1945年發(fā)表了他編排的元素周期表，建立了與鑭系元素相同的錒系元素，把它們一起放置在元素周期表的下方，成為今天形式的元素周期表，并留下94號(hào)元素以后一系列的空位留待發(fā)現(xiàn)。

钚為銀白色金屬，熔點(diǎn)640°C，沸點(diǎn)3234°C;從室溫到熔點(diǎn)之間有6種同素異形體，這是冶金學(xué)上很獨(dú)特的現(xiàn)象。钚在空氣中的氧化速度于濕度有關(guān)，濕度高則氧化快，且有自燃的危險(xiǎn);钚易溶于酸中，不過濃酸可能會(huì)引起鈍化。它也是一種放射性毒物，會(huì)于骨髓中富集。因此，操作、處理钚元素具有一定的危險(xiǎn)性。钚239是易裂變核素，是重要的核燃料;钚238可用于制作同位素電池，廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、人造衛(wèi)星、極地氣象站等的能源。钚屬于極毒元素。

钚 - 物理性質(zhì)

钚和多數(shù)金屬一樣具銀灰色外表，又與鎳特別相似，但它在氧化后會(huì)迅速轉(zhuǎn)為暗灰色(有時(shí)呈黃色或橄欖綠)。钚在室溫下以α型存在，是元素最普遍的結(jié)構(gòu)型態(tài)(同素異形體)，質(zhì)地如鑄鐵般堅(jiān)而易脆，但與其他金屬制成合金后又變得柔軟而富延展性。钚和多數(shù)金屬不同，它不是熱和電的良好導(dǎo)體。它的熔點(diǎn)很低(640 °C)，而沸點(diǎn)異常的高(3327 °C)。

钚最普遍釋放的游離輻射類型是α粒子發(fā)射(即釋放出高能的氦原子核)。最典型的一種核子武器核心即是以5公斤(約12.5×10^24個(gè))钚原子構(gòu)成。由于钚的半衰期為24100年，故其每秒約有11.5×10^12個(gè)钚原子產(chǎn)生衰變，發(fā)射出5.157 MeV的α粒子，相當(dāng)于9.68瓦特能量。α粒子的減速會(huì)釋放出熱能，使觸摸時(shí)感覺溫暖。

钚在室溫時(shí)的電阻率比一般金屬高很多，而且钚和多數(shù)金屬相反，其電阻率隨溫度降低而提高。但近期研究指出，當(dāng)溫度降至100K以下時(shí)，钚的電阻率會(huì)急遽降低。電阻率由于輻射損傷，會(huì)在20K之后逐漸提高，速率因同位素結(jié)構(gòu)而異。

钚具有自發(fā)輻射性質(zhì)，使得晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，即原有秩序的原子排列因?yàn)檩椛涠S時(shí)間產(chǎn)生紊亂。然而，當(dāng)溫度上升超過100K時(shí)，自發(fā)輻射也能導(dǎo)致退火，削弱疲勞現(xiàn)象。

钚和多數(shù)金屬不同：它的密度在熔化時(shí)變大(約2.5%)，但液態(tài)金屬的密度又隨溫度呈線性下降。另外，接近熔點(diǎn)時(shí)，钚的液態(tài)金屬具有很高的黏性和表面張力(相較于其他金屬)。

钚化合物三氟化钚為藍(lán)紫色固體，熔點(diǎn)為1425±3℃;在沒有鋁或鋯離子存在時(shí)，很難溶于酸中。三氟化钚可由钚(IV)的硝酸鹽、氧化物、氫氧化物等化合物與無水氟化氫在550~600℃反應(yīng)制得，也可在含钚(III)的水溶液中加入氟離子沉淀而制得。三氟化钚是還原法制金屬钚的原料。

四氟化钚為淡棕色(PuF4·2.5H2O為粉紅色)，熔點(diǎn)為1037℃，沸點(diǎn)約1277℃;微溶于水，只能溶于含有硼酸、鋁(III)或鐵(III)的溶液中。四氟化钚可由钚(IV)的氧化物、硝酸鹽、草酸鹽等化合物在有氧氣存在的條件下與無水氟化氫進(jìn)行高溫反應(yīng)而制得。四氟化钚也是還原法制金屬钚的原料。

六氟化钚在-180℃時(shí)是白色固體，液態(tài)和氣態(tài)呈棕色到紅棕色，熔點(diǎn)為51.59℃，沸點(diǎn)為62.16℃;六氟化钚在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，它是一個(gè)很強(qiáng)的氧化劑;能與四氟化鈾、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等反應(yīng)生成四氟化钚，與潮濕空氣或水發(fā)生非常激烈的反應(yīng);六氟化钚由于α輻解而不斷生成四氟化钚。六氟化钚可由二氧化钚或四氟化钚在500~700℃高溫下與氟氣反應(yīng)制得。钚(VI)的其他氟化物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O(M為NH4、Na、K等)。

三氯化钚是藍(lán)至綠色的固體，熔點(diǎn)為750℃，沸點(diǎn)為1767℃;易吸潮，易溶于酸和水。三氯化钚可由多種方法制備，通常由二氧化钚與光氣在高溫下反應(yīng)而制得。在制備中，大多數(shù)其他元素生成揮發(fā)性的氯化物，而三氯化钚不揮發(fā)，因而钚的純度較高。三氯化钚也是制備金屬钚的一種化合物。

四氯化钚是不穩(wěn)定化合物，容易分解，不易制得。钚(IV)的其他氯化物有 M2PuCl6(M為Cs、Rb、K、Na等)。

其他已經(jīng)制得的化合物還有：三溴化钚，熔點(diǎn)約為681℃;三碘化钚，熔點(diǎn)約777℃。氧化物二氧化钚是綠棕色到黃棕色的固體，在氦氣中的熔點(diǎn)為2280±30℃，蒸氣壓很低;它的化學(xué)惰性很大，在鹽酸和硝酸中溶解極慢且不完全，在沸騰的氫溴酸中溶解較快，用硫酸氫鈉等熔劑在熔融條件下可溶解二氧化钚;高溫下二氧化钚可與氟化氫反應(yīng)生成三氟化物，有氧氣存在時(shí)生成四氟化物;高溫下與氟作用生成六氟化钚，與鋅鎂合金反應(yīng)還原生成金屬钚。由于二氧化钚具有高熔點(diǎn)、輻照穩(wěn)定、同金屬互容以及容易制備等特性，是核燃料的一種適用的組成形式。二氧化钚可由金屬钚或其化合物(磷酸鹽除外)在空氣中灼燒制得，也可由含氧化合物在真空或惰性氣氛中加熱到1000℃而制得。β-三氧化二钚的熔點(diǎn)為2085±25℃;可由二氧化钚與碳在氦中加熱到1625℃制得。α-三氧化二钚可由在真空中加熱二氧化钚到1650～1800℃ 而制得。α-三氧化二钚由二氧化钚熔化時(shí)損失氧而制得，其熔點(diǎn)為2360±20℃。

碳化物已知有二碳化三钚、碳化钚、三碳化二钚和二碳化钚。室溫下碳化钚在空氣中穩(wěn)定，但在400℃時(shí)則劇烈燃燒;不與冷水作用，但與熱水反應(yīng)生成三價(jià)氫氧化物、氫和甲烷的混合物，以及少量的其他碳?xì)浠衔?碳化钚與冷硝酸作用很慢。三碳化二钚的化學(xué)性質(zhì)與碳化钚略有不同，三碳化二钚在高溫下的氧化作用及在酸和沸水中的水解作用都比碳化钚弱。钚的碳化物可由金屬钚、二氧化钚或氫化钚在高溫下與石墨反應(yīng)而制得。反應(yīng)條件不同，可以制得不同組分的钚的碳化物。钚的碳化物由于具有較高的導(dǎo)熱性、低的蒸氣壓和較大的钚密度，可以做核反應(yīng)堆的燃料。

氮化物已知钚的唯一氮化物為氮化钚。氮化钚在氬氣氛中熔點(diǎn)為2450±50℃;遇冷水緩慢水解并生成二氧化钚，氮化钚易溶于無機(jī)酸中;與氮化鈾能形成一系列固溶體。氮化钚具備核燃料的钚化合物的結(jié)晶體某些特性，如熔點(diǎn)高、钚密度高和好的導(dǎo)熱性，但它的主要缺點(diǎn)是在高溫下?lián)]發(fā)性較高和易分解。氮化钚可由氫化钚與氮在高于 230℃時(shí)反應(yīng)而制得。

草酸鹽钚(III)的草酸鹽Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(IV)的Pu(C2O4)2·6H2O都是難溶性化合物，隨著加熱，它們逐漸失去其結(jié)晶水，隨后分解，最終產(chǎn)物為二氧化钚。钚的草酸鹽可由钚的相應(yīng)氧化態(tài)的鹽的稀酸溶液與草酸或草酸鈉沉淀而制得。

钚 - 同位素

钚是天然存在于自然界中的質(zhì)量最重的元素。它最穩(wěn)定的同位素是钚-244，半衰期約為八千萬年，足夠使钚以微量存在于自然環(huán)境中。

钚最重要的同位素是钚-239，半衰期為2.41萬年，常被用制核子武器。钚-239和钚-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(chǎn)生核分裂，釋放出能量、伽馬射線以及中子輻射，從而形成核連鎖反應(yīng)，并應(yīng)用在核武器與核反應(yīng)爐上。

钚-238的半衰期為88年，并放出α粒子。它是放射性同位素?zé)犭姍C(jī)的熱量來源，常用于驅(qū)動(dòng)太空船。

钚-240自發(fā)裂變的比率很高，容易造成中子通量激增，因而影響了钚作為核武及反應(yīng)器燃料的適用性。

在一般情況下，钚有六種同素異形體，并在高溫、限定壓力范圍下有第七

钚因周圍壓力變化而有六種同素異形體

種(zeta， ζ)存在。[8]這些同素異形體的內(nèi)能相近，但擁有截然不同的密度和晶體結(jié)構(gòu)。因此钚對(duì)溫度、壓力以及化學(xué)性質(zhì)的變化十分敏感，各同素異形體的體積并隨相變而具有極大差異性。[6]密度因同素異形體而異，范圍自16.00 g/cm^3到19.86 g/cm^3不等。

諸多同素異形體的存在，造成钚的狀態(tài)易變，使钚元素的制造變得非常困難。例如，α型存在于室溫的純钚中。它和鑄鐵有許多相似加工后性質(zhì)，但只要稍微提高溫度，便會(huì)轉(zhuǎn)成具有可塑性和可鍛造性的β型。[10]造成钚復(fù)雜相圖的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型屬于低對(duì)稱性的單斜結(jié)構(gòu)，因此促成它的易碎性、強(qiáng)度、壓縮性及低傳導(dǎo)性。

钚 - 毒性流言

钚極其同位素因?yàn)槠浞派湫远幸欢ㄎｋU(xiǎn)性。钚產(chǎn)生的α射線并不會(huì)穿透人體的皮膚而進(jìn)入人體，但钚可能被人體吸入或消化而進(jìn)入人體從而對(duì)內(nèi)臟造成不利影響。α射線會(huì)造成細(xì)胞的損傷、染色體的損傷，理論上可能導(dǎo)致癌癥發(fā)病率的上升。但是這種影響并不會(huì)比其它能放出α射線的放射性物質(zhì)危害更大。相比之下，钚的半衰期很長(zhǎng)，使得單位時(shí)間里的輻射量相對(duì)要小，危害也就更小。在自然界廣泛存在的氡的放射危害就要比钚大的多。钚容易在人體的肝臟和骨骼中聚集，但該過程非常緩慢。

钚是世界上最毒的物質(zhì)。一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死2億人，5克的钚足以毒死人類。钚的毒性比砒霜大4.86億倍，它的威力勝過核武器。 在20世紀(jì)四十年代，美國(guó)就有26名工作人員因核武器研究，受到了钚的污染。但是在他們身上并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的健康影響，更沒有人因此而死亡。

钚 - 毒性真相

對(duì)钚毒性的誤解由來已久，關(guān)于它是劇毒的物質(zhì)、“一丁點(diǎn)就能致人死亡”的說法在西方世界也同樣流傳廣泛。推測(cè)，钚可能是受到了劇毒的釙的牽連。兩者的衰變類型相同，化學(xué)符號(hào)接近(Po、Pu)，連中文寫法、讀音都那么那么的相近，也難怪不明真相的群眾們把他們的各類性質(zhì)掰到一起去。

如果非要來說明钚的化學(xué)毒性，人們相對(duì)熟悉的砒霜、氰化物的毒性都比钚要大得多。單次過量攝入钚而引發(fā)的死亡案例，至今都未出現(xiàn)。

對(duì)于钚危害的擔(dān)憂，更多的是來自于钚的電離輻射能力。钚衰變時(shí)會(huì)產(chǎn)生α射線。α射線的穿透能力非常弱，在空氣中前進(jìn)幾厘米就將能量耗盡。對(duì)于環(huán)境中的钚并不用太擔(dān)心。一旦钚進(jìn)入到人體內(nèi)，形成的內(nèi)照射會(huì)對(duì)人體有一定的影響。α射線會(huì)造成細(xì)胞的損傷、染色體的損傷，理論上可能導(dǎo)致癌癥發(fā)病率的上升。但是這種影響并不會(huì)比其它能放出α射線的放射性物質(zhì)危害更大。相比之下，钚的半衰期很長(zhǎng)，使得單位時(shí)間里的輻射量相對(duì)要小，危害也就更小。在自然界廣泛存在的氡的放射危害就要比钚大的多。

事實(shí)上，在上世紀(jì)四十年代，美國(guó)就有26名工作人員因核武器研究，受到了钚的污染。但是在他們身上并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的健康影響，更沒有人因此而死亡。到上世紀(jì)九十年代，一批志愿者甚至接受了注射或是吸入钚的實(shí)驗(yàn)，也沒有發(fā)現(xiàn)有任何明顯的傷害。這與之前大家對(duì)钚毒性的過高估計(jì)大大不同。

而英國(guó)女王伊莉莎白二世訪問哈維爾核子實(shí)驗(yàn)室時(shí)，就曾受邀觸摸了一塊以塑料包裹的钚環(huán)，以親自體會(huì)其溫暖的觸感。附贈(zèng)八卦一則，钚舔起來?還真的像金屬?? 基于钚本身的化學(xué)毒性并不那么大，電離輻射能力也不比其它放射性元素要來的特殊，加上鈾钚混合燃料里钚也只有7%，3號(hào)反應(yīng)堆如果發(fā)生爆炸泄露，并不會(huì)比其它使用鈾燃料的反應(yīng)堆要來的更危險(xiǎn)。

钚 - 鈾钚混合燃料

鈾钚混合燃料，也就是MOX燃料，全稱為混合氧化物燃料。傳統(tǒng)的反應(yīng) 堆是以鈾235為燃料，通過用中子轟擊鈾235原子核，發(fā)生裂變反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。但事實(shí)上，自然界鈾儲(chǔ)量的99.3% 都是無法用于核電站發(fā)電的鈾 238，鈾235僅為0.7%,難以滿足世界日益增長(zhǎng)的核能需求。MOX燃料就是一種為了 通過核反應(yīng)來利用鈾238而設(shè)計(jì)的特種核燃料。

MOX燃料是由7%的钚239氧化物和93%的鈾238氧化物混合制成的。設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，將核廢料里的 钚以及自然儲(chǔ)備更多的鈾238給利用了起來。當(dāng)鈾238吸收一個(gè)中子之后，會(huì)經(jīng)過一些核反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?39，而钚239也能發(fā) 生核裂變反應(yīng)，能夠用于核電站發(fā)電。使用了MOX燃料的核電站，在發(fā)電的過程中一部分鈾238會(huì)發(fā)生這個(gè)反應(yīng)，就可以在消耗钚239的 同時(shí)，使部分鈾238轉(zhuǎn)化為钚239。在最后剩下的核燃料里面，還會(huì)有一定量的钚239，可以提取出來，重新制作成核燃料。如果 控制合理，這種燃料對(duì)鈾238的利用率將非常高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是為傳統(tǒng)的鈾燃料反應(yīng)堆中鈾238轉(zhuǎn)化成的钚239找到了 新出路，也算是幫助解決了核廢料處理的一個(gè)難題。

钚 - 日本地震相關(guān)發(fā)現(xiàn)

日本福島一號(hào)核電站2011年3月28日傳來新險(xiǎn)情：救援人員在電站外邊土壤中發(fā)現(xiàn)了微量劇毒的钚(原子彈材料)。原子能安全保安院發(fā)言人西山英彥說，測(cè)出钚元素意味著核反應(yīng)堆安全殼出現(xiàn)破裂，“形勢(shì)令人不安”。

福島第一核電站在“3·11”特大地震和海嘯發(fā)生后，一直處于“各種泄漏險(xiǎn)情”不斷發(fā)生的狀態(tài)。因其中一座反應(yīng)堆使用鈾和钚的混合物做燃料，因此外界一直擔(dān)心，這兩種輻射超強(qiáng)的元素可能會(huì)泄漏到周邊環(huán)境中，給當(dāng)?shù)厝四酥寥蚴澄镦溤斐芍卮笪廴?。日本福島一號(hào)核電站擁有的六座核反應(yīng)堆有個(gè)共同特點(diǎn)，那是其用過的燃料棒中都含有可用來制造核武器的原料钚。同核燃料鈾相比，钚的毒性更大。據(jù)悉，此次檢測(cè)出的是钚的3種同位素钚-238、钚-239和钚-240，土壤樣本采集于一周前。钚在高溫下生成，且非常重，不會(huì)輕易飛散，因此土壤中檢測(cè)出钚很可能與福島第一核電站1號(hào)至4號(hào)機(jī)組連續(xù)發(fā)生的氫氣爆炸和火災(zāi)有關(guān)。