基本介紹
- 中文名：鈽
- 外文名：Plutonium
- 注音：ㄅㄨ
- 部首：釒
- 漢字結構：左右結構
- 總筆畫：10
簡介,特性,物理性質,同核異構體,核分裂,同位素與人造元素,衰變熱與裂變性質,混合物與化學性質,套用,核子彈,核廢料,能源與熱源,
簡介
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。鈽-239和鈽-241都易於裂變，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，並套用在核武器與核反應堆上。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。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·西博格和埃德溫·麥克米倫首度在柏克萊加州大學實驗室，以氘撞擊鈾-238而合成鈽元素。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。二次大戰時曼哈頓計畫則首度將製造微量鈽元素列為主要任務之一，曼哈頓計畫後來成功研製出第一個核子彈。1945年7月的第一次核試驗“三一試驗”，以及第二次、投於長崎市的“胖子核子彈”，都使用了鈽製作核心部分。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。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，它不是熱和電的良好導體。它的熔點很低（640 °C），而沸點異常的高（3327 °C）。
鈽最普遍釋放的電離輻射類型是α粒子發射（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12.5×1024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。
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[9]。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。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。
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。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。
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。另外，接近熔點時，鈽的液態金屬具有很高的黏性和表面張力（相較於其他金屬）。
同核異構體
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[12]。這些同素異形體的內能相近，但擁有截然不同的密度和晶體結構。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。密度因同核異構體而異，範圍自16.00 g/cm3到19.86 g/cm3不等。
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。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。
核分裂
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。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）；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
鈽有二十种放射性同位素。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。
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，主要的衰變方式是自發裂變和α衰變，衰變產物通常生成鈾（92個質子）和鎿（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，衰變產物多為鎇（95個質子）。鈽-241是鎿衰變系的母同位素，透過β粒子或電子放射衰變成鎇-241。
鈽-238和鈽-239是最普遍的人造同位素。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：
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[18]。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，重氫的原子核）撞擊鈾-238，透過下列反應合成：
在此反應過程中，一個氘核撞擊鈾-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。
混合物與化學性質
室溫時，純鈽金屬是銀灰色、但因氧化而鏽蝕[7]。鈽在水溶液中形成四種離子氧化態：
Pu(III) — Pu3+（藍紫色）
Pu(IV) — Pu4+（黃棕色）
Pu(V) — PuO2+（粉紅色）
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。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。
套用
核子彈
同位素鈽-239是核武器中最重要的裂變成分。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。它的臨界質量約僅有鈾-235的三分之一。
1944年6月漢福德B-反應堆
1944年6月漢福德B-反應堆曼哈頓計畫期間製造的“胖子核子彈”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）（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，就可製造出一個核子彈。
核廢料
一般輕水反應堆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）。在反應堆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
同位素鈽-238的半衰期為87.74年。它會放出大量熱能，伴隨著低能的伽馬和自發裂變射線/粒子。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。以上特性使鈽-238適宜用於製作放射性同位素熱電機。
