同位素钚(bu)-239是核武器中(zhong)(zhong)最重要的(de)(de)裂(lie)變成份(fen)。將钚(bu)核置入反(fan)(fan)射(she)體(質量(liang)數大的(de)(de)物質的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)層)中(zhong)(zhong),能使逃逸的(de)(de)中(zhong)(zhong)子(zi)再反(fan)(fan)射(she)回彈(dan)心,減(jian)少中(zhong)(zhong)子(zi)的(de)(de)損失,進而降低钚(bu)達(da)到臨(lin)界質量(liang)的(de)(de)標(biao)準量(liang):從(cong)原需16公(gong)斤的(de)(de)钚(bu),可減(jian)少至10公(gong)斤,即一(yi)個直徑約10厘米的(de)(de)球體的(de)(de)量(liang)。它的(de)(de)臨(lin)界質量(liang)約僅有鈾-235的(de)(de)三(san)分(fen)之(zhi)一(yi)。
曼哈頓計劃期間制造(zao)的“胖子原(yuan)子彈(dan)”型钚(bu)(bu)(bu)彈(dan),為了達到極高的密度(du)而選擇使用(yong)易(yi)爆炸、壓縮的钚(bu)(bu)(bu),再結合中(zhong)心(xin)中(zhong)子源,以刺激反應進行、提高反應效(xiao)率。因此,钚(bu)(bu)(bu)彈(dan)只需6.2公斤钚(bu)(bu)(bu)便(bian)可(ke)達到爆炸當(dang)量,相當(dang)于兩萬噸的三硝基甲苯(ben)(TNT)。在理(li)想(xiang)假設中(zhong),僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)4公斤的钚(bu)(bu)(bu)原(yuan)料(甚至更少(shao)),只要搭(da)配(pei)復(fu)雜的裝配(pei)設計,就可(ke)制造(zao)出一個(ge)原(yuan)子彈(dan)。
核廢(fei)料(liao)(liao):一(yi)般(ban)輕(qing)水反(fan)(fan)應(ying)爐(lu)所產生(sheng)(sheng)的核廢(fei)料(liao)(liao)中(zhong)(zhong)(zhong)含有钚(bu)(bu),但為钚(bu)(bu)-242、钚(bu)(bu)-239和钚(bu)(bu)-238的混合(he)物。它的濃(nong)度不足以制(zhi)作(zuo)成核武器(qi),不過可以改用作(zuo)一(yi)次(ci)性的混氧燃料(liao)(liao)(MOX fuel)。在反(fan)(fan)應(ying)爐(lu)中(zhong)(zhong)(zhong)以慢速熱中(zhong)(zhong)(zhong)子放射線照(zhao)射钚(bu)(bu)時,會偶然發生(sheng)(sheng)中(zhong)(zhong)(zhong)子俘獲,而增加钚(bu)(bu)-242和钚(bu)(bu)-240的量。因此反(fan)(fan)應(ying)進行到第二輪之后,钚(bu)(bu)只能和快中(zhong)(zhong)(zhong)子反(fan)(fan)應(ying)堆反(fan)(fan)應(ying)、消耗。在反(fan)(fan)應(ying)器(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)沒(mei)有快中(zhong)(zhong)(zhong)子時(普(pu)遍情況(kuang)下),剩余的钚(bu)(bu)通常會被遺棄,形成壽命長、處理棘手的核廢(fei)料(liao)(liao)。
1934年(nian),恩(en)里科·費米(mi)和羅馬大學的(de)(de)研究團隊發(fa)布消息表示他們發(fa)現(xian)了元素94。1783年(nian)胡塞·德盧(lu)亞爾(er)(er)和浮士圖·德盧(lu)亞爾(er)(er)兄弟發(fa)現(xian)從黑鎢(wu)礦可以獲得同(tong)樣的(de)(de)酸。費米(mi)將元素取名“hesperium”,并曾在他1938年(nian)的(de)(de)諾貝爾(er)(er)獎(jiang)演說中提及。然(ran)而,他們的(de)(de)研究成果其實是鋇、氪等許多(duo)其他元素的(de)(de)混合物。但由于當時核分裂尚(shang)未發(fa)現(xian),這(zhe)個(ge)誤會便(bian)一直延續。
1940年美國(guo)G.T.西博格、E.M.埃(ai)德溫·麥克米倫、J.W.肯尼迪和A.C.沃爾用152.4cm回(hui)旋加(jia)速器加(jia)速的16兆電(dian)子伏氘核轟擊鈾時發現(xian)钚-238。第(di)二年又(you)發現(xian)钚的最重要的同位素钚-239。
1941年,經找到(dao)周期(qi)表中最后一個可能(neng)存在的元素,而考慮過“ultimium”或“extremium”等(deng)名稱(cheng)。
钚(Plutonium),原子序數為94,元(yuan)素符號是Pu,是一(yi)種具放射性的超鈾元(yuan)素。半衰期為24萬5千年。它屬于錒(a)系金屬,外表(biao)呈銀白色,接觸空氣后容易銹(xiu)蝕、氧化(hua),在表(biao)面生成無(wu)光澤的二氧化(hua)钚。
钚有(you)六種(zhong)同位素(su)(su)和四種(zhong)氧化態,易和碳、鹵素(su)(su)、氮、硅(gui)起化學反應(ying)。钚暴露在潮濕的空氣中時會(hui)產生(sheng)氧化物和氫(qing)化物,其體積最大(da)可(ke)膨脹70%,屑(xie)狀的钚能自燃。它也是一種(zhong)放射性毒物,會(hui)于(yu)骨髓中富集。因此,操作、處理钚元素(su)(su)具有(you)一定的危(wei)險性。
钚(bu)和(he)多數金(jin)屬一樣具銀灰(hui)(hui)色(se)外表,又與鎳特別(bie)相(xiang)似,但(dan)它(ta)(ta)在氧化(hua)后(hou)會迅速轉為暗灰(hui)(hui)色(se)(有時呈黃色(se)或橄欖綠)。钚(bu)在室溫下以α型(xing)存在,是元素(su)最普遍的(de)結構型(xing)態(tai)(同素(su)異形體),質地如鑄(zhu)鐵般堅(jian)而(er)質脆,但(dan)與其他金(jin)屬制成合金(jin)后(hou)又變(bian)得柔軟而(er)富延展性。钚(bu)和(he)多數金(jin)屬不(bu)同,它(ta)(ta)不(bu)是熱(re)和(he)電的(de)良(liang)好導體。它(ta)(ta)的(de)熔點很低(640°C),而(er)沸點異常的(de)高(gao)(3235°C)。
钚在室(shi)溫(wen)時的(de)電阻率(lv)(lv)比一般金屬(shu)高(gao)很多(duo),而且钚和多(duo)數金屬(shu)相(xiang)反,其電阻率(lv)(lv)隨溫(wen)度降(jiang)低(di)而提(ti)高(gao)。但研究指出,當溫(wen)度降(jiang)至100K以(yi)下時,钚的(de)電阻率(lv)(lv)會(hui)急(ji)劇降(jiang)低(di)。電阻率(lv)(lv)由于輻射(she)損傷,會(hui)在20K之后逐漸提(ti)高(gao),速率(lv)(lv)因同位素結構(gou)而異(yi)。
钚具有自發輻射性質,使得晶體結構產(chan)生疲勞(lao),即原(yuan)有秩序的原(yuan)子排(pai)列因為輻射而隨時(shi)間產(chan)生紊亂。然而,當溫度上升超過(guo)100K時(shi),自發輻射也能導致退火,削弱疲勞(lao)現象。
钚(bu)和多數(shu)金屬(shu)(shu)(shu)不同:它的密(mi)度在熔(rong)化(hua)時變大(約(yue)2.5%),但液態金屬(shu)(shu)(shu)的密(mi)度又(you)隨(sui)溫度呈線性下降。另(ling)外,接近熔(rong)點時,钚(bu)的液態金屬(shu)(shu)(shu)具有很高(gao)的黏(nian)性和表面張(zhang)力(相(xiang)較于其他金屬(shu)(shu)(shu))。
钚最(zui)普(pu)遍釋放的(de)游離輻射類(lei)型是(shi)α粒(li)子(zi)發射(即釋放出高能的(de)氦(hai)原子(zi)核(he))。最(zui)典型的(de)一種核(he)武器核(he)心即是(shi)以5公(gong)斤(jin)(約12.5×1024個(ge))钚原子(zi)構成。由于钚的(de)半(ban)衰期(qi)為(wei)24100年(nian),故其每秒(miao)約有11.5×1012個(ge)钚原子(zi)產生(sheng)衰變(bian),發射出5.157MeV的(de)α粒(li)子(zi),相(xiang)當于9.68瓦特(te)能量。α粒(li)子(zi)的(de)減速(su)會釋放出熱能,使觸(chu)摸時感(gan)覺溫暖。
钚(bu)及(ji)其同位素因為(wei)其放(fang)(fang)(fang)射(she)性而有一(yi)定危(wei)險性。钚(bu)產生的(de)α射(she)線(xian)并不會穿透人(ren)體(ti)的(de)皮膚而進(jin)入人(ren)體(ti),但钚(bu)可能被人(ren)體(ti)吸(xi)入或(huo)消化而進(jin)入人(ren)體(ti)從而對內臟造成(cheng)不利影(ying)響。α射(she)線(xian)會造成(cheng)細胞的(de)損傷、染色體(ti)的(de)損傷,理論(lun)上可能導致(zhi)癌癥(zheng)發病率的(de)上升。但是這種影(ying)響并不會比其它能放(fang)(fang)(fang)出α射(she)線(xian)的(de)放(fang)(fang)(fang)射(she)性物質危(wei)害更大(da)。相比之下(xia),钚(bu)的(de)半衰(shuai)期很(hen)長,使得單位時間里的(de)輻射(she)量相對要小,危(wei)害也就更小。在自然(ran)界廣(guang)泛存在的(de)氡(dong)的(de)放(fang)(fang)(fang)射(she)危(wei)害就要比钚(bu)大(da)的(de)多。钚(bu)容易在人(ren)體(ti)的(de)肝臟和(he)骨骼中聚集,但該過(guo)程非常緩慢(man)。
在20世(shi)紀四十年代,美國就有26名工作人(ren)員因核武器研究(jiu),受到(dao)了(le)钚的(de)污染。但(dan)是在他(ta)們身上并沒有出現嚴重的(de)健康影響,更沒有人(ren)因此而死亡。
在(zai)一(yi)般(ban)情況下(xia),钚(bu)有(you)六種同素(su)異(yi)(yi)形體(ti),并在(zai)高溫(wen)、限定壓(ya)力范圍下(xia)有(you)第(di)七種(zeta,ζ)存在(zai)。這(zhe)些(xie)同素(su)異(yi)(yi)形體(ti)的(de)內能相近,但擁(yong)有(you)截然不同的(de)密度和(he)晶(jing)體(ti)結構(gou)。因此钚(bu)對溫(wen)度、壓(ya)力以及化學性質(zhi)的(de)變化十分敏感,各同素(su)異(yi)(yi)形體(ti)的(de)體(ti)積(ji)并隨相變而具有(you)極大(da)差異(yi)(yi)性。密度因同素(su)異(yi)(yi)形體(ti)而異(yi)(yi),范圍自16.00g/cm3到19.86g/cm3不等。
諸多(duo)(duo)同素(su)異形體的(de)存在(zai)(zai),造成钚(bu)的(de)狀態(tai)易變,使钚(bu)元素(su)的(de)制造變得非(fei)常困(kun)難。例如,α型存在(zai)(zai)于(yu)室(shi)溫(wen)的(de)純钚(bu)中。它(ta)(ta)和(he)鑄鐵有許多(duo)(duo)相(xiang)似加工后性(xing)質,但(dan)只要(yao)稍微提高溫(wen)度,便會轉成具有可(ke)塑性(xing)和(he)可(ke)鍛造性(xing)的(de)β型。造成钚(bu)復雜相(xiang)圖的(de)背后因(yin)素(su)迄今仍未(wei)被完整解惑。α型屬于(yu)低(di)對稱性(xing)的(de)單斜(xie)結(jie)構,因(yin)此促(cu)成它(ta)(ta)的(de)易碎性(xing)、強度、壓縮性(xing)及(ji)低(di)傳(chuan)導性(xing)。
钚是(shi)一(yi)種具(ju)放射(she)性(xing)(xing)的(de)錒系(xi)金屬(shu)。它的(de)5f電(dian)子是(shi)離域(yu)和定(ding)域(yu)之(zhi)間的(de)過渡界線。钚因此(ci)常(chang)被認為是(shi)最復雜的(de)元素之(zhi)一(yi)。它的(de)同位素钚-239是(shi)三個最重要(yao)的(de)易裂變同位素之(zhi)一(yi)(另外(wai)二者(zhe)為鈾(you)-233和鈾(you)-235);钚-241也具(ju)有高度易裂變性(xing)(xing)。所謂(wei)的(de)具(ju)“易裂變性(xing)(xing)”(fissile),是(shi)指(zhi)同位素的(de)原(yuan)子核(he)受到(dao)慢中(zhong)子撞擊后(hou),能夠(gou)產生核(he)分(fen)裂,并另釋放出(chu)足以支持核(he)連鎖反應(ying)、進一(yi)步促(cu)使原(yuan)子核(he)分(fen)裂的(de)中(zhong)子。
環(huan)狀金屬钚(bu)重5.3公斤,直徑約(yue)11厘米,足夠制作一(yi)枚核(he)彈。它的(de)形狀有(you)助于維(wei)系臨(lin)界安全。
钚(bu)(bu)(bu)(bu)有(you)二十種(zhong)放射性同位(wei)素(su)(su)。在自(zi)然界中只找到兩(liang)種(zhong)钚(bu)(bu)(bu)(bu)同位(wei)素(su)(su),一種(zhong)是(shi)(shi)從氟(fu)碳鈰鑭(lan)礦中找到的(de)微量钚(bu)(bu)(bu)(bu)-244,已知钚(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)同位(wei)素(su)(su)中壽命最長的(de)是(shi)(shi)钚(bu)(bu)(bu)(bu)-244,半衰期是(shi)(shi)8.26×107年(nian),它具有(you)足(zu)夠長的(de)半衰期,可能是(shi)(shi)地球上原始存在的(de)。另(ling)一種(zhong)是(shi)(shi)從含鈾礦物中找到的(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)-239,是(shi)(shi)鈾-238吸收自(zi)然界里的(de)中子而(er)形(xing)成的(de)。其他钚(bu)(bu)(bu)(bu)同位(wei)素(su)(su)都是(shi)(shi)通(tong)過人工核反應合(he)成的(de)。
其(qi)中(zhong)壽命最長的(de)有(you)钚(bu)-244(半衰(shuai)期為8080萬年(nian))、钚(bu)-242(半衰(shuai)期為373300年(nian))及钚(bu)-239(半衰(shuai)期為24110年(nian))。其(qi)余的(de)放射性同位素半衰(shuai)期都低(di)于7000年(nian)。钚(bu)也有(you)八種亞(ya)穩(wen)態,但狀態并不穩(wen)定、半衰(shuai)期都不超過一秒。
钚的(de)同位(wei)素(su)(su)的(de)質(zhi)量(liang)數范圍(wei)從228到247不(bu)等。其(qi)中質(zhi)量(liang)數低于(yu)钚-244(最穩定的(de)同位(wei)素(su)(su))的(de)同位(wei)素(su)(su),主要的(de)衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)方(fang)式是(shi)自發裂變(bian)(bian)(bian)和α衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian),衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)產(chan)物(wu)通常生成鈾(you)(92個質(zhi)子(zi))和镎(93個質(zhi)子(zi))的(de)同位(wei)素(su)(su)(忽略裂變(bian)(bian)(bian)過(guo)程產(chan)生之二子(zi)核的(de)大范圍(wei))。質(zhi)量(liang)數大于(yu)钚-244的(de)同位(wei)素(su)(su)則以β衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)為主要衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)方(fang)式,衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)產(chan)物(wu)多為镅(95個質(zhi)子(zi))。钚-241是(shi)镎衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)系的(de)母同位(wei)素(su)(su),透過(guo)β粒子(zi)或電子(zi)放射衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)成镅-241。
钚(bu)(bu)-238和钚(bu)(bu)-239是最(zui)普遍的人造同(tong)位(wei)素。钚(bu)(bu)-239是使用鈾(U)和中(zhong)子(zi)(n),并以镎(na)(Np-239)作為中(zhong)間體,產(chan)生(sheng)β衰變(β)。透過(guo)反應1合成(cheng)。
鈾(you)-235裂變(bian)(bian)(bian)中的中子(zi)被(bei)鈾(you)-238原子(zi)核(he)俘獲、形成(cheng)鈾(you)-239;β衰(shuai)變(bian)(bian)(bian)將一個中子(zi)轉變(bian)(bian)(bian)成(cheng)質(zhi)子(zi),形成(cheng)镎-239(半衰(shuai)期為2.36日),另一次β衰(shuai)變(bian)(bian)(bian)則形成(cheng)钚-239。合金(jin)管計劃(hua)的學者曾(ceng)在1940年推導出(chu)此反應式。
钚-238是以氘核(D,重氫的(de)原子核)撞擊鈾-238。透(tou)過反(fan)應(ying)2合成。
在此反應(ying)過程中,一個(ge)氘核撞擊鈾-238,生(sheng)成(cheng)兩個(ge)中子和镎-238;镎-238再發射負β粒子、產生(sheng)自發衰變,形(xing)成(cheng)钚-238。
钚同(tong)位素會(hui)發生(sheng)放射性衰(shuai)(shuai)變(bian),釋放出衰(shuai)(shuai)變(bian)熱。不(bu)同(tong)的同(tong)位素,單(dan)位質(zhi)量(liang)所(suo)釋出的熱量(liang)也有(you)(you)所(suo)差異(yi)。衰(shuai)(shuai)變(bian)熱的單(dan)位通常以“瓦特(te)/公斤”或“毫瓦特(te)/公克”計。所(suo)有(you)(you)同(tong)位素在(zai)衰(shuai)(shuai)變(bian)時都會(hui)釋放出微(wei)弱(ruo)的伽馬射線。
它最穩定(ding)的同(tong)位素(su)是钚-244,半衰期(qi)約為八千(qian)萬年,足夠使钚以(yi)微量存在于自(zi)然環境中。
钚(bu)最重(zhong)要的同位(wei)素(su)是钚(bu)-239,半衰(shuai)期為24100年,常被用制核子武(wu)器(qi)(qi)。钚(bu)-239和钚(bu)-241都(dou)易(yi)于裂變,即它(ta)們(men)的原子核可以在慢(man)速熱中子撞擊(ji)下產生核分(fen)裂,釋放出(chu)能量、伽馬射(she)線(γ射(she)線)以及(ji)中子輻射(she),從而形成核連鎖反應(ying),并應(ying)用在核武(wu)器(qi)(qi)與(yu)核反應(ying)爐(lu)上。
钚-238的半(ban)衰期為88年,并放出阿爾(er)法(fa)粒子(α粒子)。它(ta)是放射性同位素熱電(dian)機的熱量來源,常用于驅(qu)動太空船(chuan)。
钚-240自發裂變的(de)比率很高,容易造成(cheng)中(zhong)子通量激增,因(yin)而影(ying)響(xiang)了钚作為核(he)武及反應器燃料的(de)適(shi)用性。
分離钚同位(wei)素的過程成(cheng)本極高又耗時費力(li),因此钚的特(te)定同位(wei)素時幾乎(hu)都是以特(te)殊反應(ying)合成(cheng)。
1940年(nian)(nian),格(ge)(ge)倫·西奧多(duo)·西博格(ge)(ge)和埃德溫·麥(mai)克米倫首(shou)度在柏克萊加州大學(xue)實(shi)驗(yan)(yan)室(shi),以氘撞(zhuang)擊(ji)鈾-238而合(he)成钚(bu)(bu)元素。麥(mai)克米倫將這(zhe)個(ge)新(xin)元素取(qu)名Pluto(意為(wei)冥王星),西博格(ge)(ge)便開玩笑提議定其(qi)元素符(fu)號為(wei)Pu(音類似英語中(zhong)表嫌惡時(shi)的口語“pew”)。科學(xue)家隨后(hou)在自(zi)然界中(zhong)發(fa)現了微量的钚(bu)(bu)。二(er)次大戰時(shi)曼哈頓計劃則首(shou)度將制造(zao)(zao)微量钚(bu)(bu)元素列(lie)為(wei)主要任務(wu)之一(yi),曼哈頓計劃后(hou)來(lai)成功研(yan)制出第一(yi)個(ge)原(yuan)子彈。1945年(nian)(nian)7月的第一(yi)次核(he)試驗(yan)(yan)“三一(yi)原(yuan)子彈”,以及(ji)第二(er)次、投(tou)于長崎(qi)市的“胖子原(yuan)子彈”,都(dou)使用(yong)(yong)了钚(bu)(bu)制作內核(he)部分。關于钚(bu)(bu)元素的人(ren)體(ti)輻射(she)實(shi)驗(yan)(yan)研(yan)究并在未經(jing)受試者同(tong)意之下進行(xing),二(er)次大戰期間及(ji)戰后(hou)都(dou)有數次核(he)試驗(yan)(yan)相關意外,其(qi)中(zhong)有的甚至(zhi)造(zao)(zao)成傷(shang)亡。核(he)能發(fa)電廠核(he)廢(fei)料(liao)的清除(chu),以及(ji)冷戰期間所打(da)造(zao)(zao)的核(he)武(wu)建(jian)設在核(he)武(wu)裁(cai)減后(hou)的廢(fei)用(yong)(yong),都(dou)延伸出日(ri)后(hou)核(he)武(wu)擴散(san)以及(ji)環境等問題。非陸上(shang)核(he)試驗(yan)(yan)也會(hui)釋(shi)出殘(can)余(yu)的原(yuan)子塵,現已依《部分禁止(zhi)(zhi)核(he)試驗(yan)(yan)條約(yue)》明令禁止(zhi)(zhi)。
晶體結構
單斜晶系。單斜晶型(xing)(xing)(钚(bu)α和钚(bu)β)、斜方晶型(xing)(xing)(钚(bu)γ)、面心立方晶型(xing)(xing)(钚(bu)δ)、體心四(si)方晶型(xing)(xing)(钚(bu)δ')、體心立方晶型(xing)(xing)(钚(bu)ε)。
室(shi)溫時,純钚(bu)金屬是銀灰色、但因氧化而銹(xiu)蝕。钚(bu)在水溶液中(zhong)形成四種(zhong)離子氧化態(tai):
Pu(III)—Pu3+(藍紫色)
Pu(IV)—Pu4+(黃棕色)
Pu(V)—PuO2+(粉(fen)紅(hong)色)
Pu(VI)—PuO22+(粉桔色)
Pu(VII)—PuO53-(綠色)七價離子較稀有钚溶液(ye)所呈(cheng)現的顏色決(jue)定于(yu)氧化態和酸陰離子的性質。
钚的酸(suan)陰離子(zi)種類影響了錯合(he)(原子(zi)與中心原子(zi)結合(he))的程度。
三(san)氟化(hua)钚(bu)(bu)為藍紫色固體,熔點(dian)為1425±3℃;在沒有鋁或(huo)鋯(gao)離子存(cun)在時,很難溶(rong)于(yu)酸中(zhong)。三(san)氟化(hua)钚(bu)(bu)可由钚(bu)(bu)(IV)的(de)硝酸鹽、氧化(hua)物(wu)(wu)、氫(qing)氧化(hua)物(wu)(wu)等化(hua)合物(wu)(wu)與無(wu)水氟化(hua)氫(qing)在550~600℃反應制得,也可在含钚(bu)(bu)(III)的(de)水溶(rong)液中(zhong)加入氟離子沉淀(dian)而制得。三(san)氟化(hua)钚(bu)(bu)是(shi)還原法(fa)制金(jin)屬钚(bu)(bu)的(de)原料。
四(si)氟化钚(bu)為(wei)淡棕色(PuF4·2.5H2O為(wei)粉紅色),熔(rong)點(dian)為(wei)1037℃,沸(fei)點(dian)約1277℃;微溶于(yu)(yu)水,只能溶于(yu)(yu)含有(you)硼(peng)酸(suan)、鋁(III)或鐵(tie)(III)的溶液中。四(si)氟化钚(bu)可由钚(bu)(IV)的氧化物(wu)、硝酸(suan)鹽、草酸(suan)鹽等化合(he)物(wu)在(zai)有(you)氧氣存在(zai)的條件(jian)下與無水氟化氫進(jin)行高溫反(fan)應(ying)而制得。四(si)氟化钚(bu)也是(shi)還原法制金(jin)屬(shu)钚(bu)的原料。
六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)钚在-180℃時是(shi)(shi)白色固體,液態和氣(qi)態呈(cheng)棕色到紅(hong)棕色,熔點為(wei)51.59℃,沸點為(wei)62.16℃;六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)钚在熱(re)力學上是(shi)(shi)不穩定(ding)的(de),它是(shi)(shi)一(yi)個很強(qiang)的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)劑;能與(yu)四(si)氟(fu)化(hua)(hua)鈾、二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)硫、一(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳、二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳等反應生(sheng)(sheng)成四(si)氟(fu)化(hua)(hua)钚,與(yu)潮濕(shi)空(kong)氣(qi)或(huo)水發(fa)生(sheng)(sheng)非常激烈的(de)反應;六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)钚由于α輻解而不斷生(sheng)(sheng)成四(si)氟(fu)化(hua)(hua)钚。六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)钚可由二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)钚或(huo)四(si)氟(fu)化(hua)(hua)钚在500~700℃高溫下與(yu)氟(fu)氣(qi)反應制(zhi)得。钚(VI)的(de)其他氟(fu)化(hua)(hua)物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O(M為(wei)NH4、Na、K等)。
三氯(lv)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)是(shi)藍至綠色(se)的(de)(de)固(gu)體(ti),熔(rong)點為750℃,沸點為1767℃;易吸潮,易溶于酸和水(shui)。三氯(lv)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)可由(you)多種方法制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei),通常由(you)二(er)氧化(hua)(hua)钚(bu)(bu)與光氣在(zai)高(gao)溫(wen)下反應而制(zhi)(zhi)(zhi)得。在(zai)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)中,大多數其他元素生(sheng)成揮發性的(de)(de)氯(lv)化(hua)(hua)物,而三氯(lv)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)不揮發,因(yin)而钚(bu)(bu)的(de)(de)純(chun)度較(jiao)高(gao)。三氯(lv)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)也(ye)是(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)金(jin)屬钚(bu)(bu)的(de)(de)一種化(hua)(hua)合物。
四氯化(hua)钚(bu)(bu)是不穩(wen)定化(hua)合物(wu),容易分解,不易制(zhi)得。钚(bu)(bu)(IV)的其他氯化(hua)物(wu)有M2PuCl6(M為Cs、Rb、K、Na等)。
其(qi)他已(yi)經制得的(de)化合物還有:三溴化钚,熔(rong)點約為(wei)681℃;三碘化钚,熔(rong)點約777℃。
二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)是綠(lv)棕色到黃棕色的(de)(de)(de)(de)固體(ti),在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)氦氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)熔點(dian)為(wei)2280±30℃,蒸氣壓很(hen)低;它的(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學惰(duo)性(xing)很(hen)大,在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)鹽(yan)酸(suan)(suan)(suan)和硝酸(suan)(suan)(suan)中(zhong)(zhong)溶解(jie)極(ji)慢且不完全,在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)沸騰的(de)(de)(de)(de)氫溴酸(suan)(suan)(suan)中(zhong)(zhong)溶解(jie)較快,用(yong)(yong)硫(liu)酸(suan)(suan)(suan)氫鈉等(deng)熔劑在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)熔融條(tiao)件下(xia)(xia)可(ke)(ke)溶解(jie)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu);高(gao)(gao)溫(wen)(wen)下(xia)(xia)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)與氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氫反(fan)應(ying)生成(cheng)三氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物,有氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)時生成(cheng)四(si)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物;高(gao)(gao)溫(wen)(wen)下(xia)(xia)與氟(fu)(fu)作用(yong)(yong)生成(cheng)六氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu),與鋅鎂合(he)金(jin)反(fan)應(ying)還原生成(cheng)金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)。由(you)(you)(you)于二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)具有高(gao)(gao)熔點(dian)、輻照(zhao)穩定、同金(jin)屬互容(rong)以及容(rong)易制備等(deng)特性(xing),是核燃(ran)料的(de)(de)(de)(de)一種適用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)組成(cheng)形式。二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)由(you)(you)(you)金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)或其化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(磷酸(suan)(suan)(suan)鹽(yan)除外)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)空(kong)(kong)氣中(zhong)(zhong)灼燒制得,也可(ke)(ke)由(you)(you)(you)含氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)真空(kong)(kong)或惰(duo)性(xing)氣氛中(zhong)(zhong)加熱到1000℃而制得。β-三氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)熔點(dian)為(wei)2085±25℃;可(ke)(ke)由(you)(you)(you)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)與碳在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)氦中(zhong)(zhong)加熱到1625℃制得。α-三氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)由(you)(you)(you)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)真空(kong)(kong)中(zhong)(zhong)加熱二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)到1650~1800℃而制得。α-三氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)由(you)(you)(you)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)熔化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)時損失氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)而制得,其熔點(dian)為(wei)2360±20℃。
碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物:已知有(you)二碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)三(san)(san)钚(bu)(bu)(bu)、碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)、三(san)(san)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)和二碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)。室溫下碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)(zai)(zai)空氣(qi)中(zhong)穩(wen)定,但在(zai)(zai)(zai)(zai)400℃時則劇烈燃燒;不與冷水作用,但與熱水反應生成(cheng)三(san)(san)價氫氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物、氫和甲烷的(de)(de)混合物,以(yi)(yi)及(ji)(ji)少量的(de)(de)其他(ta)碳(tan)(tan)(tan)氫化(hua)(hua)(hua)合物;碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)與冷硝酸作用很慢(man)。三(san)(san)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學性質(zhi)與碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)略有(you)不同,三(san)(san)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)(zai)(zai)高溫下的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)作用及(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)(zai)酸和沸水中(zhong)的(de)(de)水解作用都比碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)弱。钚(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物可由金屬钚(bu)(bu)(bu)、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)或氫化(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)(zai)(zai)高溫下與石墨反應而(er)制得。反應條件不同,可以(yi)(yi)制得不同組分(fen)的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物。钚(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物由于具有(you)較高的(de)(de)導熱性、低的(de)(de)蒸氣(qi)壓和較大(da)的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)密(mi)度,可以(yi)(yi)做核反應堆的(de)(de)燃料(liao)。
氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)物(wu):已知(zhi)钚(bu)(bu)的(de)唯一(yi)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)物(wu)為(wei)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)。氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)在氬(ya)氣氛中(zhong)熔(rong)點為(wei)2450±50℃;遇(yu)冷水(shui)緩慢水(shui)解并生(sheng)成二氧化(hua)(hua)钚(bu)(bu),氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)易溶于無機酸中(zhong);與氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)鈾(you)能形成一(yi)系列固溶體。氮(dan)(dan)(dan)化(hua)(hua)钚(bu)(bu)具備核燃(ran)料的(de)
某些(xie)特性,如熔點(dian)高、钚密度高和(he)好的導熱性,但它的主要缺點(dian)是(shi)在高溫下揮發性較高和(he)易(yi)分解(jie)。氮化(hua)钚可由氫化(hua)钚與氮在高于230℃時反(fan)應而制得。
草(cao)(cao)酸鹽:钚(bu)(bu)(III)的(de)草(cao)(cao)酸鹽Pu2(C2O4)3·10H2O和(he)钚(bu)(bu)(IV)的(de)Pu(C2O4)2·6H2O都是難(nan)溶性化合物,隨著加熱,它們逐漸失去其結晶水(shui),隨后分解,最終產物為二(er)氧化钚(bu)(bu)。钚(bu)(bu)的(de)草(cao)(cao)酸鹽可(ke)由钚(bu)(bu)的(de)相應氧化態的(de)鹽的(de)稀酸溶液與草(cao)(cao)酸或草(cao)(cao)酸鈉(na)沉淀(dian)而制得。
能(neng)源與熱源:同(tong)位素钚(bu)(bu)-238的半衰期為87.74年。它會放出大量(liang)熱能(neng),伴隨著低能(neng)的伽(jia)馬和自發裂(lie)變射線/粒子(zi)。它是α輻射體,同(tong)時具有高輻射能(neng)及低穿透性,故僅需(xu)低度防護措(cuo)施。單一紙張(zhang)就可以抵擋(dang)钚(bu)(bu)-238所放射出的α粒子(zi);同(tong)時,每公斤(jin)的钚(bu)(bu)-238可產生約570瓦特(te)熱能(neng)。
對钚毒(du)性的(de)(de)誤解由來已久,關于它是(shi)(shi)劇毒(du)的(de)(de)物質(zhi)、“一丁點就能致人死亡”的(de)(de)說法在(zai)西方世(shi)界也同樣流傳廣泛(fan)。推測,钚可能是(shi)(shi)受到了(le)劇毒(du)的(de)(de)釙的(de)(de)牽連(lian)。兩(liang)者的(de)(de)衰變(bian)類型相同,化(hua)學符號接近(Po、Pu),連(lian)中文寫法、讀音(yin)都那么那么的(de)(de)相近,也難怪不明真相的(de)(de)群眾們把他們的(de)(de)各類性質(zhi)掰到一起去(qu)。
流言
據BBC報道,前英國政府輻(fu)射事務顧問(wen)巴斯比博士表示(shi),日(ri)本核(he)(he)電站的問(wen)題極(ji)為嚴重,尤其(qi)令人擔(dan)心的是(shi)(shi)福島核(he)(he)電站三(san)號反應堆。他稱,該反應堆遇到(dao)麻煩,因為它使用的是(shi)(shi)一種不同(tong)的燃(ran)料(liao):它不是(shi)(shi)鈾,而(er)是(shi)(shi)一種鈾钚(bu)(bu)(bu)混合燃(ran)料(liao),而(er)钚(bu)(bu)(bu)是(shi)(shi)極(ji)為危(wei)險的,因此一旦這(zhe)種物(wu)質(zhi)泄漏(lou)出來,將使海(hai)嘯(xiao)災(zai)難雪上(shang)加霜(shuang)。钚(bu)(bu)(bu)是(shi)(shi)世界(jie)上(shang)毒(du)性第(di)二大(da)的物(wu)質(zhi)(世界(jie)上(shang)毒(du)性第(di)一大(da)的物(wu)質(zhi)為釙(li))。一片(pian)藥片(pian)大(da)小的钚(bu)(bu)(bu),足以毒(du)死(si)2億人,5克的钚(bu)(bu)(bu)足以毒(du)死(si)所有人類(lei)。钚(bu)(bu)(bu)的毒(du)性比砒霜(shuang)大(da)4.86億倍(bei)。
真相
2011年(nian)3月(yue)14日凌晨03:11的(de)(de)(de)BBC新(xin)(xin)聞,報(bao)道了前(qian)英國政府輻射事務顧問(wen)巴斯比博士(Dr Christopher Busby)對福島核(he)電站(zhan)3號機(ji)組(zu)的(de)(de)(de)擔憂。這條新(xin)(xin)聞的(de)(de)(de)背景是日本(ben)內閣官房長官枝野幸男2011年(nian)3月(yue)13日警告(gao)說(shuo),福島第一(yi)核(he)電站(zhan)3號機(ji)組(zu)反應堆面臨(lin)遭遇外部氫氣爆炸(zha)風險。但(dan)是關于钚(bu)的(de)(de)(de)毒性(xing)問(wen)題,卻(que)不似(si)流言所(suo)描述的(de)(de)(de)那么可(ke)怕。“一(yi)片藥片大小的(de)(de)(de)钚(bu)足以(yi)毒死2億(yi)人,5克(ke)的(de)(de)(de)钚(bu)足以(yi)毒死所(suo)有(you)人類”的(de)(de)(de)說(shuo)法更是沒(mei)有(you)任何的(de)(de)(de)科學依(yi)據。香港無線電視的(de)(de)(de)新(xin)(xin)聞節目(mu)曾引用此謠傳,結果被(bei)當地監管機(ji)構警告(gao),指報(bao)道令(ling)觀眾(zhong)驚恐(kong),未有(you)提供足夠(gou)證據確保報(bao)道準確。
結論
钚的(de)(de)(de)(de)毒性(xing)并沒有(you)謠言描述的(de)(de)(de)(de)那(nei)么可(ke)怕,“5克的(de)(de)(de)(de)钚足以(yi)毒死所有(you)人類”純屬無稽(ji)之談。使用鈾钚混合(he)燃料的(de)(de)(de)(de)反應(ying)堆(dui)如果發(fa)生爆炸(zha)泄露,并不會比(bi)使用鈾燃料的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)統反應(ying)堆(dui)要來(lai)的(de)(de)(de)(de)更(geng)危險。對于(yu)钚危害(hai)的(de)(de)(de)(de)擔憂,更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)是來(lai)自于(yu)钚的(de)(de)(de)(de)電離(li)輻射能力。
钚(bu)衰變時會(hui)產生(sheng)α射(she)線。α射(she)線的(de)穿(chuan)透能力非常弱,在空氣中前進(jin)幾厘米(mi)就將(jiang)能量耗(hao)盡。對于環境中的(de)钚(bu)并不(bu)用太擔心。一(yi)(yi)旦(dan)钚(bu)進(jin)入到人體內,形成的(de)內照(zhao)射(she)會(hui)對人體有(you)一(yi)(yi)定的(de)影響。
根據(ju)報導(dao),中國(guo)核(he)科學家(jia)鄧稼先曾在(zai)1979年一次(ci)核(he)航彈空投(tou)試(shi)驗(yan)失敗后(hou)接觸過用于制造其核(he)裝(zhuang)置的钚,最終仍活到1986年(死因為長期放射傷害(hai)導(dao)致的癌癥),可見(jian)钚并沒有如(ru)謠(yao)言中所(suo)描(miao)述的劇烈急毒性。
而英國女王伊莉莎(sha)白(bai)二世(shi)訪問哈維爾核(he)子(zi)實驗室(shi)時,就曾受(shou)邀觸摸了一塊(kuai)以(yi)塑(su)料(liao)包裹的(de)(de)(de)钚環,以(yi)親自體會(hui)(hui)其溫暖的(de)(de)(de)觸感。基于钚本身(shen)的(de)(de)(de)化學(xue)毒性(xing)并不那么大,電離輻射能力也不比(bi)其它(ta)放射性(xing)元素要來的(de)(de)(de)特殊,加上鈾(you)(you)钚混合燃料(liao)里钚也只(zhi)有7%,3號(hao)反(fan)應堆如果發生爆炸泄露(lu),并不會(hui)(hui)比(bi)其它(ta)使用鈾(you)(you)燃料(liao)的(de)(de)(de)反(fan)應堆要來的(de)(de)(de)更危險。