同位素(su)钚(bu)-239是(shi)核武(wu)器(qi)中(zhong)(zhong)最重要的(de)裂(lie)變(bian)成份。將(jiang)钚(bu)核置入反射(she)體(ti)(質(zhi)量數大的(de)物質(zhi)的(de)反射(she)層)中(zhong)(zhong),能使(shi)逃逸的(de)中(zhong)(zhong)子再反射(she)回彈心,減少中(zhong)(zhong)子的(de)損(sun)失,進而降低(di)钚(bu)達到臨界質(zhi)量的(de)標準量:從原(yuan)需16公斤的(de)钚(bu),可減少至10公斤,即一(yi)(yi)個直(zhi)徑約10厘米的(de)球體(ti)的(de)量。它的(de)臨界質(zhi)量約僅有鈾-235的(de)三分之一(yi)(yi)。
曼哈(ha)頓計劃期間制造的(de)(de)“胖子(zi)原子(zi)彈”型钚彈,為了達到(dao)極高的(de)(de)密(mi)度而(er)選擇(ze)使用易爆炸、壓縮的(de)(de)钚,再結合(he)中心(xin)中子(zi)源,以刺(ci)激(ji)反(fan)(fan)應進(jin)行(xing)、提高反(fan)(fan)應效率。因此,钚彈只(zhi)需(xu)6.2公(gong)斤(jin)钚便可達到(dao)爆炸當(dang)量(liang),相當(dang)于兩萬噸的(de)(de)三硝基甲苯(ben)(TNT)。在理想假設中,僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)4公(gong)斤(jin)的(de)(de)钚原料(甚至更少),只(zhi)要搭配(pei)復雜(za)的(de)(de)裝(zhuang)配(pei)設計,就(jiu)可制造出(chu)一個原子(zi)彈。
核(he)廢料(liao):一(yi)(yi)般輕水(shui)反應爐所產生的(de)核(he)廢料(liao)中含有钚(bu)(bu)(bu)(bu),但為钚(bu)(bu)(bu)(bu)-242、钚(bu)(bu)(bu)(bu)-239和(he)钚(bu)(bu)(bu)(bu)-238的(de)混合物(wu)。它的(de)濃度不足以(yi)制作成核(he)武器,不過可以(yi)改用作一(yi)(yi)次性的(de)混氧燃料(liao)(MOX fuel)。在(zai)反應爐中以(yi)慢速熱(re)中子放射線照射钚(bu)(bu)(bu)(bu)時,會(hui)偶然發(fa)生中子俘(fu)獲(huo),而增(zeng)加钚(bu)(bu)(bu)(bu)-242和(he)钚(bu)(bu)(bu)(bu)-240的(de)量。因此反應進行到第二(er)輪(lun)之后(hou),钚(bu)(bu)(bu)(bu)只能(neng)和(he)快中子反應堆(dui)反應、消耗。在(zai)反應器中沒有快中子時(普(pu)遍情(qing)況下),剩余的(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)通常會(hui)被遺(yi)棄,形(xing)成壽命長、處理棘手的(de)核(he)廢料(liao)。
1934年,恩里科·費米(mi)和羅馬大學的(de)研究(jiu)團隊(dui)發(fa)布消息表示他們發(fa)現(xian)了元素(su)94。1783年胡塞·德(de)盧(lu)亞爾(er)和浮士圖·德(de)盧(lu)亞爾(er)兄弟發(fa)現(xian)從黑鎢(wu)礦可以獲得同樣的(de)酸(suan)。費米(mi)將元素(su)取名“hesperium”,并曾在他1938年的(de)諾(nuo)貝爾(er)獎演(yan)說中提及。然而,他們的(de)研究(jiu)成果其實(shi)是鋇(bei)、氪等許多其他元素(su)的(de)混合物。但由于當時(shi)核分裂尚未發(fa)現(xian),這個誤會(hui)便一直(zhi)延續。
1940年美國G.T.西博格(ge)、E.M.埃(ai)德溫·麥克(ke)米倫、J.W.肯尼(ni)迪和A.C.沃爾(er)用152.4cm回旋加(jia)速器(qi)加(jia)速的16兆電子伏氘核轟擊(ji)鈾時發現钚-238。第二年又發現钚的最(zui)重要的同位素钚-239。
1941年(nian),經找到周期表中最后一個可能存在(zai)的元素,而考慮過“ultimium”或(huo)“extremium”等名稱。
钚(bu)(bu)(Plutonium),原(yuan)子序數為(wei)94,元素符(fu)號是(shi)Pu,是(shi)一種具放射(she)性的(de)超(chao)鈾元素。半衰期為(wei)24萬5千年。它屬于錒(a)系金屬,外表呈銀(yin)白色,接(jie)觸空氣后容易銹蝕、氧(yang)化,在表面生成無(wu)光澤的(de)二氧(yang)化钚(bu)(bu)。
钚有六種(zhong)同位素(su)和四(si)種(zhong)氧(yang)化(hua)態,易和碳(tan)、鹵素(su)、氮(dan)、硅起化(hua)學(xue)反(fan)應。钚暴露在潮濕的(de)(de)(de)空氣中時會產(chan)生氧(yang)化(hua)物和氫(qing)化(hua)物,其(qi)體積最大可膨脹70%,屑狀(zhuang)的(de)(de)(de)钚能(neng)自燃(ran)。它也是一種(zhong)放射性(xing)毒物,會于骨(gu)髓中富集(ji)。因此,操作、處理钚元素(su)具有一定的(de)(de)(de)危(wei)險性(xing)。
钚(bu)和(he)(he)多(duo)數(shu)金(jin)屬一樣具銀(yin)灰(hui)色(se)外表,又(you)與(yu)鎳(nie)特(te)別相(xiang)似(si),但它(ta)在(zai)(zai)氧化后(hou)會迅速轉為(wei)暗灰(hui)色(se)(有時呈黃色(se)或橄(gan)欖綠(lv))。钚(bu)在(zai)(zai)室溫下以α型存(cun)在(zai)(zai),是元素最普遍(bian)的(de)(de)結構(gou)型態(同素異形(xing)體),質(zhi)地如鑄鐵般堅(jian)而質(zhi)脆,但與(yu)其他(ta)金(jin)屬制成合金(jin)后(hou)又(you)變得柔軟而富(fu)延展性。钚(bu)和(he)(he)多(duo)數(shu)金(jin)屬不同,它(ta)不是熱和(he)(he)電的(de)(de)良好(hao)導體。它(ta)的(de)(de)熔點(dian)很低(640°C),而沸點(dian)異常的(de)(de)高(3235°C)。
钚在室溫時的電阻率(lv)(lv)比一(yi)般(ban)金屬(shu)高很多,而且钚和多數(shu)金屬(shu)相反,其(qi)電阻率(lv)(lv)隨溫度(du)降低而提(ti)(ti)高。但(dan)研究指出,當溫度(du)降至100K以下(xia)時,钚的電阻率(lv)(lv)會急劇降低。電阻率(lv)(lv)由于(yu)輻射損(sun)傷,會在20K之(zhi)后逐漸(jian)提(ti)(ti)高,速率(lv)(lv)因同(tong)位素(su)結(jie)構而異。
钚具有自發輻(fu)射(she)性質(zhi),使得(de)晶體(ti)結構產生疲勞,即原(yuan)有秩序的原(yuan)子排列因為(wei)輻(fu)射(she)而(er)隨(sui)時間產生紊亂(luan)。然而(er),當溫度上(shang)升(sheng)超(chao)過100K時,自發輻(fu)射(she)也能導(dao)致(zhi)退火(huo),削弱疲勞現象。
钚(bu)和(he)多數金屬(shu)不同(tong):它的密度在熔(rong)(rong)化時變大(約(yue)2.5%),但液態金屬(shu)的密度又隨溫度呈線(xian)性(xing)下降。另外,接近熔(rong)(rong)點時,钚(bu)的液態金屬(shu)具有很(hen)高的黏性(xing)和(he)表面張(zhang)力(相較于其他金屬(shu))。
钚最普遍(bian)釋(shi)(shi)放(fang)的(de)游離(li)輻射類型(xing)是(shi)α粒子(zi)(zi)發射(即釋(shi)(shi)放(fang)出高能(neng)的(de)氦原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核)。最典型(xing)的(de)一(yi)種(zhong)核武器核心即是(shi)以5公斤(jin)(約12.5×1024個)钚原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)構成(cheng)。由(you)于钚的(de)半(ban)衰(shuai)期為24100年,故其每秒約有(you)11.5×1012個钚原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)產(chan)生衰(shuai)變,發射出5.157MeV的(de)α粒子(zi)(zi),相(xiang)當于9.68瓦特能(neng)量。α粒子(zi)(zi)的(de)減速(su)會釋(shi)(shi)放(fang)出熱能(neng),使觸摸時感(gan)覺溫暖。
钚及其(qi)同位(wei)素因(yin)為其(qi)放(fang)(fang)射(she)(she)性而(er)有一定危(wei)(wei)險性。钚產(chan)生的(de)(de)α射(she)(she)線并不會(hui)(hui)穿(chuan)透人(ren)體(ti)(ti)的(de)(de)皮膚(fu)而(er)進(jin)入人(ren)體(ti)(ti),但(dan)钚可(ke)能(neng)被人(ren)體(ti)(ti)吸入或(huo)消(xiao)化而(er)進(jin)入人(ren)體(ti)(ti)從(cong)而(er)對內臟造(zao)成(cheng)不利影(ying)響(xiang)。α射(she)(she)線會(hui)(hui)造(zao)成(cheng)細胞的(de)(de)損傷(shang)、染色體(ti)(ti)的(de)(de)損傷(shang),理論上(shang)可(ke)能(neng)導致癌癥發病(bing)率(lv)的(de)(de)上(shang)升(sheng)。但(dan)是這種影(ying)響(xiang)并不會(hui)(hui)比(bi)(bi)其(qi)它能(neng)放(fang)(fang)出α射(she)(she)線的(de)(de)放(fang)(fang)射(she)(she)性物質(zhi)危(wei)(wei)害更大(da)。相比(bi)(bi)之下,钚的(de)(de)半衰期很長,使(shi)得單位(wei)時間里(li)的(de)(de)輻射(she)(she)量(liang)相對要小(xiao),危(wei)(wei)害也(ye)就更小(xiao)。在自然(ran)界廣泛存在的(de)(de)氡的(de)(de)放(fang)(fang)射(she)(she)危(wei)(wei)害就要比(bi)(bi)钚大(da)的(de)(de)多(duo)。钚容易在人(ren)體(ti)(ti)的(de)(de)肝臟和骨骼中聚(ju)集,但(dan)該(gai)過程非常緩(huan)慢。
在20世紀(ji)四十年代(dai),美國就有26名工作人員因核武器研究,受到(dao)了钚(bu)的(de)污染。但(dan)是在他們身上并(bing)沒(mei)(mei)有出(chu)現(xian)嚴(yan)重的(de)健康影響,更沒(mei)(mei)有人因此而死亡。
在(zai)一般情況下,钚有(you)(you)六種同(tong)(tong)素(su)異(yi)(yi)形(xing)(xing)體(ti),并在(zai)高溫(wen)、限(xian)定(ding)壓(ya)力范(fan)(fan)圍下有(you)(you)第七種(zeta,ζ)存在(zai)。這些(xie)同(tong)(tong)素(su)異(yi)(yi)形(xing)(xing)體(ti)的(de)內(nei)能相近,但擁有(you)(you)截(jie)然不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)密度(du)和晶體(ti)結構。因此钚對溫(wen)度(du)、壓(ya)力以(yi)及化學性(xing)質的(de)變(bian)化十分(fen)敏感(gan),各同(tong)(tong)素(su)異(yi)(yi)形(xing)(xing)體(ti)的(de)體(ti)積并隨相變(bian)而具有(you)(you)極(ji)大差異(yi)(yi)性(xing)。密度(du)因同(tong)(tong)素(su)異(yi)(yi)形(xing)(xing)體(ti)而異(yi)(yi),范(fan)(fan)圍自16.00g/cm3到19.86g/cm3不(bu)(bu)等(deng)。
諸多(duo)同素異(yi)形體的(de)存(cun)在,造成钚(bu)的(de)狀態易變,使钚(bu)元素的(de)制造變得非(fei)常困難。例如,α型(xing)存(cun)在于室溫(wen)的(de)純钚(bu)中。它和鑄鐵有許多(duo)相似加工后性(xing)質,但只(zhi)要稍微提高溫(wen)度,便會轉成具有可(ke)塑(su)性(xing)和可(ke)鍛(duan)造性(xing)的(de)β型(xing)。造成钚(bu)復雜相圖的(de)背(bei)后因素迄今仍未(wei)被完整解惑(huo)。α型(xing)屬于低(di)對稱性(xing)的(de)單斜結構,因此促成它的(de)易碎性(xing)、強度、壓縮性(xing)及低(di)傳導性(xing)。
钚(bu)(bu)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)具放射性(xing)(xing)的(de)(de)錒系金屬。它的(de)(de)5f電(dian)子(zi)是(shi)離域和定域之(zhi)間的(de)(de)過渡界線。钚(bu)(bu)因此常被認為是(shi)最復雜(za)的(de)(de)元素(su)之(zhi)一(yi)(yi)。它的(de)(de)同位(wei)素(su)钚(bu)(bu)-239是(shi)三(san)個最重要的(de)(de)易裂(lie)變同位(wei)素(su)之(zhi)一(yi)(yi)(另外二者為鈾-233和鈾-235);钚(bu)(bu)-241也具有高度易裂(lie)變性(xing)(xing)。所(suo)謂的(de)(de)具“易裂(lie)變性(xing)(xing)”(fissile),是(shi)指同位(wei)素(su)的(de)(de)原子(zi)核受(shou)到慢中子(zi)撞(zhuang)擊后(hou),能(neng)夠產生核分裂(lie),并另釋放出足以支持核連(lian)鎖反(fan)應、進一(yi)(yi)步促(cu)使原子(zi)核分裂(lie)的(de)(de)中子(zi)。
環狀金屬钚重5.3公(gong)斤,直徑約11厘米,足夠制作一枚核彈(dan)。它的(de)形狀有(you)助于維系臨界安全。
钚(bu)(bu)有(you)(you)二十種放射性同(tong)位素。在(zai)自然界中(zhong)(zhong)只找到(dao)兩種钚(bu)(bu)同(tong)位素,一種是(shi)(shi)從氟(fu)碳(tan)鈰(shi)鑭礦中(zhong)(zhong)找到(dao)的(de)微(wei)量钚(bu)(bu)-244,已知钚(bu)(bu)的(de)同(tong)位素中(zhong)(zhong)壽(shou)命最長的(de)是(shi)(shi)钚(bu)(bu)-244,半(ban)衰期(qi)是(shi)(shi)8.26×107年(nian),它具有(you)(you)足夠長的(de)半(ban)衰期(qi),可能是(shi)(shi)地球上原(yuan)始(shi)存(cun)在(zai)的(de)。另一種是(shi)(shi)從含鈾礦物中(zhong)(zhong)找到(dao)的(de)钚(bu)(bu)-239,是(shi)(shi)鈾-238吸收自然界里的(de)中(zhong)(zhong)子而(er)形成的(de)。其他钚(bu)(bu)同(tong)位素都是(shi)(shi)通過人(ren)工核反應合(he)成的(de)。
其中壽命最(zui)長的有钚(bu)-244(半衰(shuai)(shuai)期為8080萬年(nian)(nian))、钚(bu)-242(半衰(shuai)(shuai)期為373300年(nian)(nian))及钚(bu)-239(半衰(shuai)(shuai)期為24110年(nian)(nian))。其余的放(fang)射(she)性(xing)同位素半衰(shuai)(shuai)期都低于(yu)7000年(nian)(nian)。钚(bu)也有八種(zhong)亞(ya)穩態,但狀態并不(bu)穩定、半衰(shuai)(shuai)期都不(bu)超(chao)過一秒(miao)。
钚(bu)的(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su)的(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)范(fan)圍從228到247不(bu)等(deng)。其中質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)低于钚(bu)-244(最穩定的(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su))的(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su),主要(yao)的(de)(de)衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)方式是自發(fa)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)和(he)α衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian),衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)物(wu)通常生成鈾(you)(92個(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi))和(he)镎(93個(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi))的(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su)(忽(hu)略裂(lie)變(bian)(bian)(bian)(bian)過(guo)程產(chan)生之二(er)子(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)大范(fan)圍)。質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)大于钚(bu)-244的(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su)則以(yi)β衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)為主要(yao)衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)方式,衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)產(chan)物(wu)多為镅(95個(ge)(ge)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi))。钚(bu)-241是镎衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)系的(de)(de)母同(tong)(tong)位(wei)素(su),透過(guo)β粒子(zi)(zi)(zi)或電子(zi)(zi)(zi)放射衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)成镅-241。
钚-238和(he)钚-239是最普遍的人造同位素。钚-239是使用(yong)鈾(U)和(he)中子(n),并以镎(Np-239)作為中間體,產(chan)生β衰變(β)。透過(guo)反(fan)應1合成。
鈾-235裂變(bian)(bian)中(zhong)(zhong)的(de)中(zhong)(zhong)子被鈾-238原子核俘(fu)獲、形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)鈾-239;β衰(shuai)變(bian)(bian)將(jiang)一個(ge)中(zhong)(zhong)子轉變(bian)(bian)成(cheng)(cheng)質子,形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)镎-239(半衰(shuai)期為(wei)2.36日),另一次β衰(shuai)變(bian)(bian)則形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)钚-239。合金管計劃的(de)學者曾在1940年推導出此反(fan)應(ying)式。
钚(bu)-238是(shi)以(yi)氘(dao)核(D,重氫的原子核)撞擊(ji)鈾-238。透過反應2合成。
在此反應過程中(zhong),一(yi)個(ge)氘核(he)撞擊鈾(you)-238,生成(cheng)兩個(ge)中(zhong)子(zi)和镎(na)-238;镎(na)-238再發射(she)負β粒子(zi)、產生自發衰變,形成(cheng)钚-238。
钚同(tong)位素會發生放(fang)射(she)性(xing)衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變,釋(shi)放(fang)出衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變熱。不同(tong)的(de)同(tong)位素,單(dan)位質(zhi)量所釋(shi)出的(de)熱量也有所差異。衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變熱的(de)單(dan)位通常以“瓦特/公斤(jin)”或“毫瓦特/公克”計。所有同(tong)位素在衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變時都會釋(shi)放(fang)出微弱的(de)伽馬射(she)線。
它最穩定(ding)的同位素是(shi)钚(bu)(bu)-244,半(ban)衰期(qi)約(yue)為八千萬(wan)年(nian),足夠使钚(bu)(bu)以(yi)微量存在于自然環境中。
钚(bu)最重(zhong)要的(de)同位素是钚(bu)-239,半(ban)衰(shuai)期(qi)為24100年,常被用制核子(zi)武器。钚(bu)-239和钚(bu)-241都易于裂(lie)變,即它們(men)的(de)原子(zi)核可以(yi)在慢速(su)熱中子(zi)撞擊下產生核分裂(lie),釋放出(chu)能量、伽(jia)馬射線(xian)(xian)(γ射線(xian)(xian))以(yi)及中子(zi)輻射,從而(er)形成核連鎖(suo)反應(ying),并應(ying)用在核武器與核反應(ying)爐上。
钚-238的(de)半衰期為88年,并放出阿爾法粒子(α粒子)。它是放射性同位素熱(re)電機的(de)熱(re)量來源,常(chang)用于驅動太(tai)空船。
钚-240自發(fa)裂變(bian)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(wu)及反應器燃料的適用性。
分離钚同位素(su)的(de)過程成本(ben)極高又(you)耗時費力,因此钚的(de)特定同位素(su)時幾(ji)乎都是以特殊反應合成。
1940年,格(ge)倫·西(xi)奧多·西(xi)博(bo)格(ge)和埃德溫(wen)·麥(mai)克(ke)米倫首(shou)度(du)在柏克(ke)萊加州大學實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室,以氘(dao)撞擊鈾-238而合(he)成钚(bu)元(yuan)素。麥(mai)克(ke)米倫將這個新元(yuan)素取名Pluto(意為冥(ming)王星(xing)),西(xi)博(bo)格(ge)便開玩笑(xiao)提議定其元(yuan)素符號為Pu(音類似英(ying)語(yu)中(zhong)(zhong)表(biao)嫌惡時(shi)的(de)(de)(de)口語(yu)“pew”)。科學家隨(sui)后在自(zi)然界中(zhong)(zhong)發現了微(wei)量的(de)(de)(de)钚(bu)。二次(ci)(ci)大戰時(shi)曼哈頓計(ji)劃則首(shou)度(du)將制(zhi)造微(wei)量钚(bu)元(yuan)素列為主要任務之(zhi)一(yi),曼哈頓計(ji)劃后來成功研制(zhi)出(chu)(chu)(chu)第一(yi)個原(yuan)子彈。1945年7月的(de)(de)(de)第一(yi)次(ci)(ci)核(he)(he)(he)試(shi)驗(yan)(yan)“三(san)一(yi)原(yuan)子彈”,以及第二次(ci)(ci)、投于(yu)長崎市(shi)的(de)(de)(de)“胖子原(yuan)子彈”,都使用了钚(bu)制(zhi)作內核(he)(he)(he)部(bu)分。關(guan)于(yu)钚(bu)元(yuan)素的(de)(de)(de)人體輻射實(shi)(shi)驗(yan)(yan)研究并(bing)在未經受試(shi)者同意之(zhi)下(xia)進行,二次(ci)(ci)大戰期間及戰后都有數次(ci)(ci)核(he)(he)(he)試(shi)驗(yan)(yan)相關(guan)意外,其中(zhong)(zhong)有的(de)(de)(de)甚(shen)至造成傷亡。核(he)(he)(he)能發電廠核(he)(he)(he)廢料的(de)(de)(de)清(qing)除,以及冷戰期間所打造的(de)(de)(de)核(he)(he)(he)武建設在核(he)(he)(he)武裁減后的(de)(de)(de)廢用,都延伸出(chu)(chu)(chu)日后核(he)(he)(he)武擴散以及環境等問題。非陸上核(he)(he)(he)試(shi)驗(yan)(yan)也(ye)會釋(shi)出(chu)(chu)(chu)殘余的(de)(de)(de)原(yuan)子塵,現已依(yi)《部(bu)分禁(jin)止核(he)(he)(he)試(shi)驗(yan)(yan)條約(yue)》明(ming)令禁(jin)止。
晶體結構
單斜(xie)(xie)晶(jing)(jing)系(xi)。單斜(xie)(xie)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚α和(he)钚β)、斜(xie)(xie)方晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚γ)、面(mian)心立方晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚δ)、體心四(si)方晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚δ')、體心立方晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚ε)。
室溫時,純钚金屬是銀灰(hui)色、但因氧(yang)化而(er)銹蝕。钚在水溶液中(zhong)形(xing)成四種(zhong)離子氧(yang)化態:
Pu(III)—Pu3+(藍紫色)
Pu(IV)—Pu4+(黃(huang)棕色)
Pu(V)—PuO2+(粉紅色)
Pu(VI)—PuO22+(粉桔(jie)色(se))
Pu(VII)—PuO53-(綠色(se))七價離子較稀有钚(bu)溶液(ye)所呈現的顏色(se)決定于氧化(hua)態和酸(suan)陰離子的性質。
钚的酸陰離子種(zhong)類影響了錯(cuo)合(原子與(yu)中心原子結(jie)合)的程度。
三(san)氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)為(wei)(wei)藍紫色固體,熔點為(wei)(wei)1425±3℃;在(zai)(zai)(zai)沒(mei)有鋁或鋯離(li)子存在(zai)(zai)(zai)時,很(hen)難溶于酸中(zhong)。三(san)氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)可(ke)(ke)由钚(bu)(bu)(IV)的(de)(de)硝酸鹽(yan)、氧化(hua)(hua)物、氫氧化(hua)(hua)物等(deng)化(hua)(hua)合物與無水(shui)氟(fu)化(hua)(hua)氫在(zai)(zai)(zai)550~600℃反應(ying)制(zhi)(zhi)得(de),也可(ke)(ke)在(zai)(zai)(zai)含钚(bu)(bu)(III)的(de)(de)水(shui)溶液中(zhong)加入氟(fu)離(li)子沉(chen)淀而制(zhi)(zhi)得(de)。三(san)氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)是還(huan)原法(fa)制(zhi)(zhi)金(jin)屬钚(bu)(bu)的(de)(de)原料。
四(si)氟化(hua)(hua)钚(bu)為淡棕色(se)(PuF4·2.5H2O為粉紅色(se)),熔點(dian)為1037℃,沸(fei)點(dian)約1277℃;微(wei)溶于水,只能溶于含(han)有硼酸(suan)、鋁(lv)(III)或鐵(III)的(de)溶液中。四(si)氟化(hua)(hua)钚(bu)可由钚(bu)(IV)的(de)氧化(hua)(hua)物(wu)、硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)、草酸(suan)鹽(yan)等化(hua)(hua)合物(wu)在(zai)有氧氣存在(zai)的(de)條(tiao)件下(xia)與無水氟化(hua)(hua)氫(qing)進行高(gao)溫反應而(er)制得。四(si)氟化(hua)(hua)钚(bu)也是還原(yuan)法制金屬钚(bu)的(de)原(yuan)料(liao)。
六(liu)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚在(zai)-180℃時是白色固體,液態(tai)和氣(qi)態(tai)呈棕(zong)色到紅棕(zong)色,熔點為51.59℃,沸點為62.16℃;六(liu)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚在(zai)熱力學上是不穩定的(de),它是一(yi)個很強的(de)氧化(hua)(hua)劑;能與(yu)四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)鈾、二氧化(hua)(hua)硫、一(yi)氧化(hua)(hua)碳(tan)、二氧化(hua)(hua)碳(tan)等反應生(sheng)成(cheng)四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚,與(yu)潮濕空(kong)氣(qi)或水(shui)發生(sheng)非常激烈的(de)反應;六(liu)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚由于α輻解而不斷生(sheng)成(cheng)四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚。六(liu)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚可由二氧化(hua)(hua)钚或四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)钚在(zai)500~700℃高溫下與(yu)氟(fu)(fu)氣(qi)反應制得。钚(VI)的(de)其他(ta)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O(M為NH4、Na、K等)。
三(san)氯化(hua)钚是(shi)(shi)藍至綠色的(de)固(gu)體,熔(rong)點(dian)為750℃,沸點(dian)為1767℃;易吸潮,易溶于(yu)酸(suan)和水。三(san)氯化(hua)钚可由(you)多種(zhong)(zhong)方(fang)法(fa)制(zhi)(zhi)備(bei),通(tong)常由(you)二(er)氧化(hua)钚與光(guang)氣在(zai)高溫下反應而(er)(er)制(zhi)(zhi)得。在(zai)制(zhi)(zhi)備(bei)中,大多數其他元素生成揮(hui)發性(xing)的(de)氯化(hua)物,而(er)(er)三(san)氯化(hua)钚不揮(hui)發,因而(er)(er)钚的(de)純(chun)度較高。三(san)氯化(hua)钚也是(shi)(shi)制(zhi)(zhi)備(bei)金(jin)屬(shu)钚的(de)一種(zhong)(zhong)化(hua)合(he)物。
四氯(lv)(lv)化钚是不(bu)(bu)穩定化合物(wu),容易分解,不(bu)(bu)易制得。钚(IV)的其他(ta)氯(lv)(lv)化物(wu)有M2PuCl6(M為Cs、Rb、K、Na等)。
其他(ta)已(yi)經制得的化(hua)合物還(huan)有:三(san)溴化(hua)钚,熔(rong)點(dian)約為681℃;三(san)碘(dian)化(hua)钚,熔(rong)點(dian)約777℃。
二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)是綠棕(zong)色到(dao)(dao)(dao)黃棕(zong)色的固體,在氦(hai)氣中(zhong)的熔點為2280±30℃,蒸氣壓很(hen)低(di);它的化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學惰(duo)性很(hen)大(da),在鹽(yan)酸(suan)和硝酸(suan)中(zhong)溶解極慢且不完全,在沸(fei)騰的氫溴(xiu)酸(suan)中(zhong)溶解較(jiao)快,用(yong)硫酸(suan)氫鈉等熔劑在熔融條件下可(ke)溶解二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu);高(gao)(gao)溫(wen)下二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)可(ke)與氟化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氫反應生成(cheng)三氟化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu),有氧(yang)(yang)氣存(cun)在時生成(cheng)四(si)氟化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu);高(gao)(gao)溫(wen)下與氟作用(yong)生成(cheng)六(liu)氟化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu),與鋅鎂合(he)金反應還原生成(cheng)金屬钚(bu)。由(you)(you)(you)于二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)具有高(gao)(gao)熔點、輻(fu)照穩(wen)定(ding)、同金屬互容(rong)以及容(rong)易制(zhi)備等特(te)性,是核燃料的一種適用(yong)的組成(cheng)形(xing)式。二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)可(ke)由(you)(you)(you)金屬钚(bu)或(huo)其化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(磷酸(suan)鹽(yan)除外)在空(kong)氣中(zhong)灼燒制(zhi)得(de),也可(ke)由(you)(you)(you)含氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)在真(zhen)空(kong)或(huo)惰(duo)性氣氛中(zhong)加(jia)熱到(dao)(dao)(dao)1000℃而制(zhi)得(de)。β-三氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)的熔點為2085±25℃;可(ke)由(you)(you)(you)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)與碳(tan)在氦(hai)中(zhong)加(jia)熱到(dao)(dao)(dao)1625℃制(zhi)得(de)。α-三氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)可(ke)由(you)(you)(you)在真(zhen)空(kong)中(zhong)加(jia)熱二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)到(dao)(dao)(dao)1650~1800℃而制(zhi)得(de)。α-三氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)由(you)(you)(you)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)熔化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)時損失氧(yang)(yang)而制(zhi)得(de),其熔點為2360±20℃。
碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu):已(yi)知有(you)二(er)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)三(san)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、三(san)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)和(he)二(er)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)。室溫(wen)下(xia)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)空氣中穩定(ding),但在(zai)(zai)400℃時則劇烈燃燒;不(bu)與冷(leng)水(shui)作(zuo)(zuo)用,但與熱水(shui)反應生成三(san)價氫(qing)(qing)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)、氫(qing)(qing)和(he)甲烷的(de)(de)混合物(wu),以及少量的(de)(de)其他碳(tan)(tan)(tan)(tan)氫(qing)(qing)化(hua)(hua)(hua)合物(wu);碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)與冷(leng)硝酸(suan)作(zuo)(zuo)用很慢。三(san)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學性質與碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)略(lve)有(you)不(bu)同(tong),三(san)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)高溫(wen)下(xia)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)作(zuo)(zuo)用及在(zai)(zai)酸(suan)和(he)沸水(shui)中的(de)(de)水(shui)解(jie)作(zuo)(zuo)用都比(bi)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)弱。钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)可(ke)由(you)金屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)或氫(qing)(qing)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)高溫(wen)下(xia)與石墨(mo)反應而制得(de)。反應條(tiao)件不(bu)同(tong),可(ke)以制得(de)不(bu)同(tong)組分的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)。钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)由(you)于具(ju)有(you)較(jiao)高的(de)(de)導熱性、低的(de)(de)蒸氣壓和(he)較(jiao)大的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)密度,可(ke)以做核反應堆的(de)(de)燃料。
氮(dan)(dan)化(hua)物:已知(zhi)钚的唯(wei)一(yi)氮(dan)(dan)化(hua)物為(wei)氮(dan)(dan)化(hua)钚。氮(dan)(dan)化(hua)钚在(zai)氬氣氛中熔點為(wei)2450±50℃;遇冷水緩(huan)慢水解并生(sheng)成二氧化(hua)钚,氮(dan)(dan)化(hua)钚易溶于無機酸中;與氮(dan)(dan)化(hua)鈾能(neng)形(xing)成一(yi)系列固(gu)溶體。氮(dan)(dan)化(hua)钚具備核燃料(liao)的
某些特性(xing)(xing),如熔(rong)點高(gao)(gao)、钚密度高(gao)(gao)和(he)好的導(dao)熱性(xing)(xing),但它的主要缺(que)點是(shi)在高(gao)(gao)溫下揮發性(xing)(xing)較高(gao)(gao)和(he)易(yi)分(fen)解。氮(dan)化钚可(ke)由氫化钚與氮(dan)在高(gao)(gao)于230℃時反應而制得。
草(cao)(cao)酸(suan)(suan)鹽:钚(III)的草(cao)(cao)酸(suan)(suan)鹽Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(IV)的Pu(C2O4)2·6H2O都是難溶性化(hua)(hua)合物,隨(sui)著加熱,它們逐漸失去其結晶水,隨(sui)后(hou)分解,最終產(chan)物為(wei)二氧化(hua)(hua)钚。钚的草(cao)(cao)酸(suan)(suan)鹽可由钚的相(xiang)應(ying)氧化(hua)(hua)態的鹽的稀酸(suan)(suan)溶液(ye)與草(cao)(cao)酸(suan)(suan)或草(cao)(cao)酸(suan)(suan)鈉沉淀而制得。
能(neng)源(yuan)與熱(re)源(yuan):同(tong)位(wei)素(su)钚(bu)-238的(de)半(ban)衰期為87.74年(nian)。它會放出(chu)大量熱(re)能(neng),伴隨著低(di)能(neng)的(de)伽(jia)馬(ma)和(he)自發裂(lie)變射(she)(she)線/粒子(zi)。它是α輻射(she)(she)體(ti),同(tong)時具有高(gao)輻射(she)(she)能(neng)及低(di)穿透性,故僅需低(di)度(du)防護措施(shi)。單一紙張(zhang)就可以抵擋钚(bu)-238所放射(she)(she)出(chu)的(de)α粒子(zi);同(tong)時,每公(gong)斤的(de)钚(bu)-238可產生約570瓦特(te)熱(re)能(neng)。
對(dui)钚(bu)毒(du)性(xing)的(de)(de)(de)誤解由來(lai)已久,關于它是劇(ju)(ju)毒(du)的(de)(de)(de)物質(zhi)、“一(yi)丁點就能致(zhi)人死亡”的(de)(de)(de)說(shuo)法在西方世界也同樣(yang)流傳廣(guang)泛。推測,钚(bu)可能是受到了劇(ju)(ju)毒(du)的(de)(de)(de)釙的(de)(de)(de)牽連。兩者的(de)(de)(de)衰(shuai)變類型相(xiang)同,化學符號接近(Po、Pu),連中文寫法、讀音都那么那么的(de)(de)(de)相(xiang)近,也難怪(guai)不明真(zhen)相(xiang)的(de)(de)(de)群眾(zhong)們把(ba)他們的(de)(de)(de)各類性(xing)質(zhi)掰到一(yi)起去。
流言
據BBC報道,前英國(guo)政府(fu)輻(fu)射(she)事務顧問巴斯比(bi)博士表示,日本核電站的問題極為嚴(yan)重,尤(you)其令(ling)人擔(dan)心的是福島(dao)核電站三號(hao)反(fan)應(ying)堆。他稱(cheng),該反(fan)應(ying)堆遇到(dao)麻煩,因為它使用的是一種(zhong)不同的燃料:它不是鈾,而是一種(zhong)鈾钚(bu)混合燃料,而钚(bu)是極為危(wei)險的,因此一旦這(zhe)種(zhong)物質(zhi)(zhi)泄(xie)漏出來,將(jiang)使海嘯災難(nan)雪上加霜。钚(bu)是世界(jie)上毒(du)性(xing)(xing)第二大的物質(zhi)(zhi)(世界(jie)上毒(du)性(xing)(xing)第一大的物質(zhi)(zhi)為釙)。一片藥片大小的钚(bu),足以(yi)毒(du)死2億人,5克(ke)的钚(bu)足以(yi)毒(du)死所有人類。钚(bu)的毒(du)性(xing)(xing)比(bi)砒霜大4.86億倍。
真相
2011年3月(yue)14日凌晨03:11的(de)(de)(de)(de)(de)BBC新聞,報道了前英國政(zheng)府輻射事務(wu)顧問(wen)巴斯(si)比博士(Dr Christopher Busby)對福島核(he)電站(zhan)3號機(ji)(ji)組的(de)(de)(de)(de)(de)擔憂。這(zhe)條新聞的(de)(de)(de)(de)(de)背景是日本內(nei)閣(ge)官(guan)房長官(guan)枝野(ye)幸男2011年3月(yue)13日警告(gao)說,福島第一核(he)電站(zhan)3號機(ji)(ji)組反應堆面臨遭(zao)遇外部氫氣(qi)爆炸風險(xian)。但是關于钚(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)毒性問(wen)題,卻不(bu)似流言所(suo)描述的(de)(de)(de)(de)(de)那么可怕。“一片(pian)藥片(pian)大小的(de)(de)(de)(de)(de)钚(bu)足(zu)以毒死(si)2億(yi)人,5克的(de)(de)(de)(de)(de)钚(bu)足(zu)以毒死(si)所(suo)有人類”的(de)(de)(de)(de)(de)說法更是沒有任何的(de)(de)(de)(de)(de)科學(xue)依(yi)據。香(xiang)港無線(xian)電視(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)新聞節目(mu)曾引用此(ci)謠傳(chuan),結果(guo)被當(dang)地監管(guan)機(ji)(ji)構警告(gao),指報道令觀(guan)眾驚(jing)恐,未有提供足(zu)夠證(zheng)據確保報道準確。
結論
钚的(de)毒(du)性并沒有(you)(you)謠言(yan)描述的(de)那么可怕,“5克的(de)钚足以毒(du)死(si)所有(you)(you)人類”純屬無稽之談。使用鈾(you)(you)钚混合燃料的(de)反應(ying)堆如(ru)果(guo)發生爆(bao)炸泄露,并不(bu)會(hui)比使用鈾(you)(you)燃料的(de)傳統反應(ying)堆要來的(de)更(geng)危險。對于(yu)钚危害(hai)的(de)擔憂,更(geng)多的(de)是(shi)來自于(yu)钚的(de)電離輻射能力。
钚(bu)(bu)(bu)衰變(bian)時會產生α射(she)線(xian)。α射(she)線(xian)的穿透能力非常弱,在空氣中前進幾厘米就將能量(liang)耗盡。對于環境中的钚(bu)(bu)(bu)并不用(yong)太擔心。一旦(dan)钚(bu)(bu)(bu)進入到人體內,形成的內照射(she)會對人體有一定的影響(xiang)。
根據報導,中國核(he)科學(xue)家鄧稼先(xian)曾在1979年一(yi)次核(he)航彈空(kong)投(tou)試驗失敗后接觸過用(yong)于制造其核(he)裝置(zhi)的(de)钚,最(zui)終仍活到(dao)1986年(死因為長期放射(she)傷(shang)害導致的(de)癌癥),可(ke)見钚并(bing)沒(mei)有(you)如謠言中所描述的(de)劇烈急毒性。
而英國(guo)女王伊莉莎白二(er)世(shi)訪問哈維爾核子(zi)實驗(yan)室時(shi),就曾受邀觸摸了一塊(kuai)以塑(su)料包裹的(de)(de)(de)钚(bu)環(huan),以親自體會其(qi)溫(wen)暖的(de)(de)(de)觸感(gan)。基于钚(bu)本(ben)身的(de)(de)(de)化學毒(du)性并不那(nei)么大(da),電離輻射能力也不比其(qi)它放射性元素要來(lai)的(de)(de)(de)特殊,加(jia)上鈾钚(bu)混合燃料里钚(bu)也只有7%,3號反(fan)應堆如果發(fa)生爆炸泄露,并不會比其(qi)它使用鈾燃料的(de)(de)(de)反(fan)應堆要來(lai)的(de)(de)(de)更危險。