同位(wei)素(su)钚(bu)(bu)-239是(shi)核(he)武器中(zhong)最重要的裂變成份。將钚(bu)(bu)核(he)置入反(fan)(fan)射體(質(zhi)量(liang)(liang)數(shu)大的物(wu)質(zhi)的反(fan)(fan)射層)中(zhong),能使逃(tao)逸的中(zhong)子(zi)再(zai)反(fan)(fan)射回(hui)彈(dan)心,減少中(zhong)子(zi)的損(sun)失,進而降低(di)钚(bu)(bu)達到臨界質(zhi)量(liang)(liang)的標(biao)準量(liang)(liang):從原需16公斤(jin)(jin)的钚(bu)(bu),可減少至(zhi)10公斤(jin)(jin),即(ji)一個直徑約10厘米的球(qiu)體的量(liang)(liang)。它的臨界質(zhi)量(liang)(liang)約僅有(you)鈾-235的三(san)分之一。
曼(man)哈頓計(ji)劃(hua)期間(jian)制(zhi)(zhi)造的(de)(de)“胖子原子彈”型钚彈,為了達(da)到(dao)極高(gao)的(de)(de)密度而(er)選(xuan)擇(ze)使用易爆炸、壓縮的(de)(de)钚,再結合中心中子源,以刺激反應(ying)進(jin)行、提高(gao)反應(ying)效率。因(yin)此(ci),钚彈只需6.2公(gong)(gong)斤(jin)钚便(bian)可達(da)到(dao)爆炸當量,相當于兩萬噸的(de)(de)三硝(xiao)基甲苯(ben)(TNT)。在理想(xiang)假設中,僅僅4公(gong)(gong)斤(jin)的(de)(de)钚原料(甚至更(geng)少),只要(yao)搭(da)配復雜的(de)(de)裝(zhuang)配設計(ji),就(jiu)可制(zhi)(zhi)造出一個原子彈。
核廢(fei)(fei)料(liao)(liao):一(yi)般輕水反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)爐所產生(sheng)的(de)核廢(fei)(fei)料(liao)(liao)中含有钚(bu),但為钚(bu)-242、钚(bu)-239和(he)钚(bu)-238的(de)混合物。它的(de)濃度不(bu)足(zu)以制(zhi)作成核武器(qi),不(bu)過可以改(gai)用作一(yi)次性的(de)混氧燃料(liao)(liao)(MOX fuel)。在反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)爐中以慢速熱中子放(fang)射線照(zhao)射钚(bu)時(shi),會(hui)偶然發生(sheng)中子俘獲(huo),而增加钚(bu)-242和(he)钚(bu)-240的(de)量。因此反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)進行(xing)到第(di)二輪之后,钚(bu)只(zhi)能和(he)快中子反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)堆反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)、消耗。在反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)中沒有快中子時(shi)(普遍情況下),剩(sheng)余的(de)钚(bu)通常會(hui)被(bei)遺棄,形(xing)成壽命長、處理(li)棘(ji)手的(de)核廢(fei)(fei)料(liao)(liao)。
1934年,恩里科·費米(mi)和(he)羅馬(ma)大學(xue)的(de)(de)(de)研(yan)究團隊發布消息表示他(ta)(ta)們(men)(men)發現了元素94。1783年胡塞·德盧亞爾(er)和(he)浮士圖(tu)·德盧亞爾(er)兄弟(di)發現從黑鎢礦(kuang)可以(yi)獲(huo)得同樣的(de)(de)(de)酸。費米(mi)將元素取名“hesperium”,并曾在(zai)他(ta)(ta)1938年的(de)(de)(de)諾貝爾(er)獎演說中提(ti)及。然而,他(ta)(ta)們(men)(men)的(de)(de)(de)研(yan)究成果其(qi)實是鋇、氪等許多其(qi)他(ta)(ta)元素的(de)(de)(de)混(hun)合物。但由于當(dang)時(shi)核分裂尚(shang)未(wei)發現,這(zhe)個(ge)誤會便一直延續。
1940年(nian)美國G.T.西博格、E.M.埃(ai)德溫(wen)·麥(mai)克米(mi)倫、J.W.肯尼迪(di)和A.C.沃爾(er)用152.4cm回旋加速(su)器(qi)加速(su)的(de)16兆電子(zi)伏氘(dao)核轟擊鈾時發現钚-238。第二年(nian)又發現钚的(de)最重要的(de)同(tong)位素钚-239。
1941年,經找到周期表中最后一個可能存在的元素(su),而考慮過“ultimium”或“extremium”等(deng)名(ming)稱。
钚(Plutonium),原子序數(shu)為94,元(yuan)素(su)符號(hao)是(shi)Pu,是(shi)一(yi)種具放射性的超鈾元(yuan)素(su)。半衰期為24萬5千年。它屬于錒系(xi)金屬,外表呈銀白色(se),接觸空氣(qi)后容易(yi)銹(xiu)蝕、氧化,在表面(mian)生(sheng)成無光澤(ze)的二氧化钚。
钚(bu)有(you)(you)六種(zhong)(zhong)(zhong)同位素和(he)四(si)種(zhong)(zhong)(zhong)氧化態,易(yi)和(he)碳、鹵素、氮、硅(gui)起化學反(fan)應。钚(bu)暴露在潮(chao)濕的空(kong)氣(qi)中時會(hui)產生氧化物和(he)氫化物,其體積最大可(ke)膨脹70%,屑狀的钚(bu)能自燃(ran)。它也是一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)放射性毒物,會(hui)于骨髓中富集(ji)。因此,操作、處理钚(bu)元素具有(you)(you)一(yi)定的危(wei)險性。
钚(bu)(bu)和(he)多數金(jin)屬(shu)一樣(yang)具銀灰色(se)外表(biao),又與(yu)鎳特別(bie)相似,但它(ta)在(zai)(zai)氧化后(hou)會迅速轉為暗灰色(se)(有時呈黃色(se)或橄欖綠(lv))。钚(bu)(bu)在(zai)(zai)室溫下以(yi)α型存在(zai)(zai),是元素(su)最普遍(bian)的(de)(de)結構型態(tai)(同素(su)異形體(ti)),質(zhi)地如鑄鐵般(ban)堅而質(zhi)脆,但與(yu)其他金(jin)屬(shu)制成合金(jin)后(hou)又變(bian)得柔軟而富延(yan)展性(xing)。钚(bu)(bu)和(he)多數金(jin)屬(shu)不同,它(ta)不是熱和(he)電的(de)(de)良好導體(ti)。它(ta)的(de)(de)熔點(dian)很低(di)(640°C),而沸點(dian)異常(chang)的(de)(de)高(3235°C)。
钚在室溫時(shi)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)比一般金屬(shu)高(gao)很多,而且钚和(he)多數金屬(shu)相(xiang)反,其電(dian)阻(zu)率(lv)隨溫度降(jiang)低(di)而提高(gao)。但研究指出,當溫度降(jiang)至100K以下時(shi),钚的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)會(hui)急劇降(jiang)低(di)。電(dian)阻(zu)率(lv)由(you)于輻射損傷(shang),會(hui)在20K之后(hou)逐漸提高(gao),速率(lv)因同位素結構而異。
钚具有(you)自發輻(fu)射(she)(she)性質(zhi),使得晶體結構產生(sheng)疲(pi)(pi)勞(lao),即原(yuan)有(you)秩序(xu)的原(yuan)子排列因為輻(fu)射(she)(she)而隨(sui)時間產生(sheng)紊亂。然而,當溫(wen)度上(shang)升超過100K時,自發輻(fu)射(she)(she)也能導致退火,削弱疲(pi)(pi)勞(lao)現象(xiang)。
钚和(he)多(duo)數(shu)金(jin)屬(shu)不同:它的密度(du)在熔(rong)化時(shi)變大(約2.5%),但液(ye)態金(jin)屬(shu)的密度(du)又隨溫度(du)呈線(xian)性下降(jiang)。另外,接近熔(rong)點時(shi),钚的液(ye)態金(jin)屬(shu)具有很(hen)高的黏性和(he)表面張力(相較于其他金(jin)屬(shu))。
钚最普遍釋放(fang)的(de)(de)游離輻射類型是(shi)(shi)α粒子(zi)發射(即(ji)釋放(fang)出高能的(de)(de)氦原(yuan)(yuan)子(zi)核)。最典型的(de)(de)一種核武器(qi)核心即(ji)是(shi)(shi)以(yi)5公斤(jin)(約12.5×1024個(ge))钚原(yuan)(yuan)子(zi)構成。由于钚的(de)(de)半(ban)衰期為24100年,故(gu)其(qi)每秒約有11.5×1012個(ge)钚原(yuan)(yuan)子(zi)產生衰變,發射出5.157MeV的(de)(de)α粒子(zi),相當于9.68瓦特能量。α粒子(zi)的(de)(de)減速會(hui)釋放(fang)出熱(re)能,使觸(chu)摸時感覺溫暖(nuan)。
钚(bu)及(ji)其同位素因為其放(fang)射(she)(she)性(xing)而(er)有一(yi)定危險性(xing)。钚(bu)產生的α射(she)(she)線并(bing)不(bu)(bu)會(hui)穿透(tou)人(ren)(ren)體的皮膚而(er)進(jin)入(ru)人(ren)(ren)體,但(dan)钚(bu)可(ke)能被人(ren)(ren)體吸入(ru)或消化(hua)而(er)進(jin)入(ru)人(ren)(ren)體從而(er)對(dui)內臟造(zao)成不(bu)(bu)利影響。α射(she)(she)線會(hui)造(zao)成細胞的損傷(shang)、染(ran)色(se)體的損傷(shang),理論(lun)上可(ke)能導(dao)致(zhi)癌癥發病率的上升。但(dan)是這(zhe)種影響并(bing)不(bu)(bu)會(hui)比(bi)(bi)其它能放(fang)出α射(she)(she)線的放(fang)射(she)(she)性(xing)物質危害(hai)(hai)更大(da)。相比(bi)(bi)之下,钚(bu)的半衰期很(hen)長,使(shi)得單位時間里的輻射(she)(she)量相對(dui)要小,危害(hai)(hai)也就(jiu)更小。在(zai)自然界(jie)廣泛存在(zai)的氡(dong)的放(fang)射(she)(she)危害(hai)(hai)就(jiu)要比(bi)(bi)钚(bu)大(da)的多(duo)。钚(bu)容易(yi)在(zai)人(ren)(ren)體的肝(gan)臟和(he)骨骼中聚(ju)集,但(dan)該過程非常緩慢。
在20世紀(ji)四十(shi)年代,美國就(jiu)有(you)26名工作(zuo)人(ren)(ren)員因(yin)核武(wu)器研究,受到了钚的污染。但(dan)是在他們身上并沒(mei)有(you)出現嚴重(zhong)的健康影響,更沒(mei)有(you)人(ren)(ren)因(yin)此而死亡(wang)。
在一(yi)般情況下(xia),钚有六種(zhong)同(tong)(tong)素(su)(su)異(yi)形(xing)體(ti),并在高溫、限定壓力(li)范圍(wei)下(xia)有第七種(zhong)(zeta,ζ)存在。這些同(tong)(tong)素(su)(su)異(yi)形(xing)體(ti)的(de)內能相近,但擁(yong)有截然(ran)不同(tong)(tong)的(de)密度(du)和晶體(ti)結構。因(yin)此钚對溫度(du)、壓力(li)以(yi)及化學性(xing)(xing)質的(de)變(bian)化十(shi)分(fen)敏感,各同(tong)(tong)素(su)(su)異(yi)形(xing)體(ti)的(de)體(ti)積(ji)并隨相變(bian)而(er)具(ju)有極大差異(yi)性(xing)(xing)。密度(du)因(yin)同(tong)(tong)素(su)(su)異(yi)形(xing)體(ti)而(er)異(yi),范圍(wei)自16.00g/cm3到19.86g/cm3不等(deng)。
諸多(duo)同素(su)異形體的(de)存在,造成钚的(de)狀態易(yi)變(bian),使钚元素(su)的(de)制(zhi)造變(bian)得(de)非常困難。例如,α型存在于(yu)室(shi)溫的(de)純钚中。它和鑄鐵有許(xu)多(duo)相似加工后性(xing)(xing)質,但(dan)只要稍微提高(gao)溫度,便會轉成具有可塑性(xing)(xing)和可鍛造性(xing)(xing)的(de)β型。造成钚復(fu)雜相圖的(de)背后因素(su)迄(qi)今(jin)仍(reng)未被完整解惑。α型屬于(yu)低對稱性(xing)(xing)的(de)單斜結(jie)構,因此(ci)促(cu)成它的(de)易(yi)碎性(xing)(xing)、強(qiang)度、壓縮(suo)性(xing)(xing)及低傳(chuan)導(dao)性(xing)(xing)。
钚是一(yi)種具放射性的(de)(de)(de)錒系金屬。它的(de)(de)(de)5f電子(zi)(zi)(zi)是離域(yu)和定域(yu)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)過渡界線(xian)。钚因此常被認為(wei)是最(zui)復(fu)雜的(de)(de)(de)元素(su)之(zhi)(zhi)一(yi)。它的(de)(de)(de)同(tong)位素(su)钚-239是三個最(zui)重要的(de)(de)(de)易裂(lie)(lie)變同(tong)位素(su)之(zhi)(zhi)一(yi)(另(ling)外二者為(wei)鈾-233和鈾-235);钚-241也(ye)具有高(gao)度易裂(lie)(lie)變性。所謂的(de)(de)(de)具“易裂(lie)(lie)變性”(fissile),是指(zhi)同(tong)位素(su)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)受到慢(man)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)撞擊后,能(neng)夠產生核(he)分(fen)裂(lie)(lie),并另(ling)釋放出足(zu)以支持核(he)連鎖反應、進一(yi)步促使原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核(he)分(fen)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)。
環狀金(jin)屬(shu)钚重5.3公斤,直(zhi)徑約11厘米,足(zu)夠制作一枚核彈(dan)。它的形(xing)狀有助(zhu)于(yu)維系臨界安全。
钚(bu)(bu)有二十種放射性同(tong)位(wei)(wei)素(su)(su)。在自(zi)然(ran)界中只找到兩種钚(bu)(bu)同(tong)位(wei)(wei)素(su)(su),一(yi)種是從(cong)氟碳鈰(shi)鑭(lan)礦中找到的(de)(de)(de)微量钚(bu)(bu)-244,已(yi)知钚(bu)(bu)的(de)(de)(de)同(tong)位(wei)(wei)素(su)(su)中壽命最長的(de)(de)(de)是钚(bu)(bu)-244,半衰期是8.26×107年(nian),它(ta)具有足夠長的(de)(de)(de)半衰期,可能是地球(qiu)上原始(shi)存(cun)在的(de)(de)(de)。另一(yi)種是從(cong)含鈾礦物中找到的(de)(de)(de)钚(bu)(bu)-239,是鈾-238吸(xi)收自(zi)然(ran)界里的(de)(de)(de)中子而形成(cheng)的(de)(de)(de)。其(qi)他钚(bu)(bu)同(tong)位(wei)(wei)素(su)(su)都是通(tong)過人工(gong)核(he)反應合成(cheng)的(de)(de)(de)。
其中壽命最長的有钚(bu)-244(半(ban)衰(shuai)期(qi)為(wei)8080萬年(nian))、钚(bu)-242(半(ban)衰(shuai)期(qi)為(wei)373300年(nian))及(ji)钚(bu)-239(半(ban)衰(shuai)期(qi)為(wei)24110年(nian))。其余的放射性(xing)同位素半(ban)衰(shuai)期(qi)都低于7000年(nian)。钚(bu)也有八種亞穩態,但(dan)狀態并不穩定、半(ban)衰(shuai)期(qi)都不超過一秒。
钚(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素的(de)(de)(de)(de)質量數范圍從228到247不等。其中(zhong)質量數低(di)于(yu)钚(bu)(bu)-244(最(zui)穩定的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素)的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素,主要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)方式(shi)是自發裂變(bian)(bian)(bian)(bian)和α衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian),衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)產物(wu)通常生(sheng)(sheng)成鈾(92個質子)和镎(93個質子)的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(忽略裂變(bian)(bian)(bian)(bian)過程產生(sheng)(sheng)之二(er)子核的(de)(de)(de)(de)大范圍)。質量數大于(yu)钚(bu)(bu)-244的(de)(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素則以β衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)為主要(yao)(yao)衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)方式(shi),衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)產物(wu)多為镅(mei)(95個質子)。钚(bu)(bu)-241是镎衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)系的(de)(de)(de)(de)母同(tong)(tong)位(wei)素,透過β粒子或電子放射衰(shuai)(shuai)變(bian)(bian)(bian)(bian)成镅(mei)-241。
钚-238和钚-239是最普遍(bian)的人造同位(wei)素(su)。钚-239是使用鈾(U)和中子(zi)(n),并以镎(Np-239)作為中間(jian)體(ti),產生β衰變(β)。透(tou)過(guo)反應1合(he)成。
鈾(you)-235裂變(bian)(bian)(bian)中的中子被鈾(you)-238原子核俘獲、形成(cheng)(cheng)鈾(you)-239;β衰變(bian)(bian)(bian)將一個中子轉變(bian)(bian)(bian)成(cheng)(cheng)質子,形成(cheng)(cheng)镎-239(半衰期為(wei)2.36日),另一次β衰變(bian)(bian)(bian)則形成(cheng)(cheng)钚-239。合金管計劃的學者曾在1940年推導出此反應式(shi)。
钚-238是以氘核(he)(he)(D,重氫的原子核(he)(he))撞擊鈾-238。透(tou)過反應2合成。
在此(ci)反應過程中(zhong),一個氘(dao)核撞擊鈾(you)-238,生成兩個中(zhong)子和(he)镎-238;镎-238再發射(she)負(fu)β粒子、產(chan)生自發衰變,形(xing)成钚(bu)-238。
钚同位(wei)素會(hui)發生放(fang)射性衰變(bian),釋放(fang)出衰變(bian)熱。不同的同位(wei)素,單位(wei)質量(liang)所(suo)釋出的熱量(liang)也有(you)所(suo)差異。衰變(bian)熱的單位(wei)通常以“瓦(wa)特(te)/公(gong)斤”或“毫瓦(wa)特(te)/公(gong)克(ke)”計(ji)。所(suo)有(you)同位(wei)素在衰變(bian)時(shi)都會(hui)釋放(fang)出微弱的伽馬射線。
它最(zui)穩定的同位素是钚-244,半衰期約為八(ba)千萬(wan)年,足夠使钚以微量(liang)存在于自然環(huan)境中。
钚(bu)(bu)最重要的同位素是(shi)钚(bu)(bu)-239,半衰期為(wei)24100年(nian),常被用制核(he)子(zi)武(wu)器(qi)。钚(bu)(bu)-239和(he)钚(bu)(bu)-241都(dou)易于裂變,即它們的原子(zi)核(he)可以在(zai)慢速熱中(zhong)(zhong)子(zi)撞擊下產(chan)生核(he)分裂,釋放(fang)出能(neng)量、伽馬射線(γ射線)以及(ji)中(zhong)(zhong)子(zi)輻射,從而形成核(he)連鎖反應(ying),并應(ying)用在(zai)核(he)武(wu)器(qi)與核(he)反應(ying)爐(lu)上。
钚-238的(de)半衰期為88年,并放出阿爾(er)法粒子(α粒子)。它是(shi)放射(she)性同位素熱(re)電機(ji)的(de)熱(re)量來源,常用于驅(qu)動太空船。
钚(bu)-240自發(fa)裂(lie)變的比率很(hen)高,容(rong)易造成中子通量激增,因而影響了钚(bu)作(zuo)為核(he)武及反應器燃料的適用性。
分(fen)離(li)钚(bu)同位素(su)的過(guo)程(cheng)成本極高(gao)又耗時(shi)費力,因(yin)此钚(bu)的特定同位素(su)時(shi)幾(ji)乎(hu)都(dou)是以特殊反應合成。
1940年,格(ge)倫·西(xi)奧多·西(xi)博格(ge)和(he)埃德溫·麥克(ke)米(mi)(mi)倫首度在(zai)柏(bo)克(ke)萊加(jia)州大(da)學(xue)實驗(yan)室,以氘撞擊(ji)鈾-238而合成钚(bu)元(yuan)素(su)。麥克(ke)米(mi)(mi)倫將這個(ge)(ge)新元(yuan)素(su)取名Pluto(意為(wei)(wei)(wei)冥王星),西(xi)博格(ge)便開玩笑(xiao)提議定(ding)其(qi)元(yuan)素(su)符號為(wei)(wei)(wei)Pu(音類(lei)似(si)英語中(zhong)(zhong)表嫌惡(e)時(shi)的(de)(de)(de)口(kou)語“pew”)。科學(xue)家(jia)隨后(hou)(hou)在(zai)自然界中(zhong)(zhong)發現(xian)了(le)(le)微(wei)量(liang)的(de)(de)(de)钚(bu)。二(er)次大(da)戰(zhan)時(shi)曼哈頓計劃(hua)則(ze)首度將制(zhi)(zhi)造(zao)微(wei)量(liang)钚(bu)元(yuan)素(su)列為(wei)(wei)(wei)主要任務之(zhi)一(yi)(yi),曼哈頓計劃(hua)后(hou)(hou)來成功研制(zhi)(zhi)出(chu)第(di)(di)一(yi)(yi)個(ge)(ge)原子(zi)(zi)彈。1945年7月的(de)(de)(de)第(di)(di)一(yi)(yi)次核(he)(he)(he)試驗(yan)“三(san)一(yi)(yi)原子(zi)(zi)彈”,以及第(di)(di)二(er)次、投于長(chang)崎市的(de)(de)(de)“胖子(zi)(zi)原子(zi)(zi)彈”,都(dou)使(shi)用(yong)了(le)(le)钚(bu)制(zhi)(zhi)作內核(he)(he)(he)部分(fen)。關(guan)于钚(bu)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)人體輻(fu)射實驗(yan)研究(jiu)并在(zai)未經受試者同(tong)意之(zhi)下(xia)進行,二(er)次大(da)戰(zhan)期間(jian)及戰(zhan)后(hou)(hou)都(dou)有數次核(he)(he)(he)試驗(yan)相關(guan)意外,其(qi)中(zhong)(zhong)有的(de)(de)(de)甚至造(zao)成傷(shang)亡(wang)。核(he)(he)(he)能發電廠核(he)(he)(he)廢(fei)料的(de)(de)(de)清除,以及冷(leng)戰(zhan)期間(jian)所打造(zao)的(de)(de)(de)核(he)(he)(he)武建設在(zai)核(he)(he)(he)武裁減后(hou)(hou)的(de)(de)(de)廢(fei)用(yong),都(dou)延伸出(chu)日后(hou)(hou)核(he)(he)(he)武擴散以及環境等問題。非陸上核(he)(he)(he)試驗(yan)也(ye)會釋出(chu)殘余的(de)(de)(de)原子(zi)(zi)塵,現(xian)已依《部分(fen)禁止核(he)(he)(he)試驗(yan)條約》明令禁止。
晶體結構
單(dan)斜晶(jing)系。單(dan)斜晶(jing)型(xing)(xing)(xing)(钚α和钚β)、斜方(fang)晶(jing)型(xing)(xing)(xing)(钚γ)、面心(xin)立方(fang)晶(jing)型(xing)(xing)(xing)(钚δ)、體心(xin)四方(fang)晶(jing)型(xing)(xing)(xing)(钚δ')、體心(xin)立方(fang)晶(jing)型(xing)(xing)(xing)(钚ε)。
室溫時,純(chun)钚金屬是銀灰色、但因氧化(hua)而銹蝕。钚在水溶液中形成四種(zhong)離子氧化(hua)態:
Pu(III)—Pu3+(藍紫色)
Pu(IV)—Pu4+(黃棕色)
Pu(V)—PuO2+(粉紅色(se))
Pu(VI)—PuO22+(粉桔(jie)色)
Pu(VII)—PuO53-(綠(lv)色(se))七(qi)價離子較(jiao)稀有钚溶液(ye)所呈現的(de)顏色(se)決(jue)定(ding)于氧化態和酸陰離子的(de)性質。
钚的酸陰離子(zi)種(zhong)類影響了錯(cuo)合(he)(原(yuan)子(zi)與中心原(yuan)子(zi)結(jie)合(he))的程度。
三氟化(hua)(hua)(hua)钚為藍紫色(se)固(gu)體,熔(rong)點為1425±3℃;在(zai)沒有鋁(lv)或鋯離(li)子存在(zai)時,很難(nan)溶于(yu)酸中。三氟化(hua)(hua)(hua)钚可(ke)由钚(IV)的硝酸鹽(yan)、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物、氫(qing)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物等(deng)化(hua)(hua)(hua)合物與無(wu)水(shui)氟化(hua)(hua)(hua)氫(qing)在(zai)550~600℃反應(ying)制得(de),也可(ke)在(zai)含钚(III)的水(shui)溶液中加入氟離(li)子沉淀(dian)而制得(de)。三氟化(hua)(hua)(hua)钚是還原(yuan)法制金屬(shu)钚的原(yuan)料。
四氟化钚(bu)為淡棕色(se)(PuF4·2.5H2O為粉紅色(se)),熔點為1037℃,沸點約1277℃;微(wei)溶(rong)于水(shui),只能溶(rong)于含有硼酸、鋁(III)或鐵(III)的(de)溶(rong)液中。四氟化钚(bu)可由钚(bu)(IV)的(de)氧化物、硝酸鹽、草酸鹽等化合物在有氧氣存在的(de)條件下與無水(shui)氟化氫進行高溫反應而制(zhi)得(de)。四氟化钚(bu)也(ye)是還(huan)原(yuan)法(fa)制(zhi)金屬钚(bu)的(de)原(yuan)料。
六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)在(zai)-180℃時(shi)是白(bai)色固(gu)體,液態和氣態呈棕色到紅棕色,熔點(dian)為(wei)51.59℃,沸點(dian)為(wei)62.16℃;六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)在(zai)熱(re)力(li)學上(shang)是不(bu)穩(wen)定的(de)(de),它(ta)是一個很強的(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji);能與(yu)四(si)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)鈾、二氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硫、一氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳、二氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳等反(fan)應(ying)生成四(si)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu),與(yu)潮濕空氣或水發生非常激烈(lie)的(de)(de)反(fan)應(ying);六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)由于α輻解而不(bu)斷生成四(si)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)。六(liu)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)可(ke)由二氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)或四(si)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)在(zai)500~700℃高溫下與(yu)氟(fu)氣反(fan)應(ying)制得(de)。钚(bu)(bu)(bu)(VI)的(de)(de)其他(ta)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O(M為(wei)NH4、Na、K等)。
三(san)氯(lv)(lv)化(hua)钚(bu)(bu)是(shi)藍(lan)至綠色(se)的(de)固體,熔(rong)點為750℃,沸點為1767℃;易吸潮,易溶于酸和水。三(san)氯(lv)(lv)化(hua)钚(bu)(bu)可(ke)由多(duo)種方法制備(bei),通常由二氧(yang)化(hua)钚(bu)(bu)與光氣在高溫下反應而(er)制得。在制備(bei)中,大多(duo)數其(qi)他元素生成揮發(fa)(fa)性的(de)氯(lv)(lv)化(hua)物,而(er)三(san)氯(lv)(lv)化(hua)钚(bu)(bu)不揮發(fa)(fa),因而(er)钚(bu)(bu)的(de)純度較高。三(san)氯(lv)(lv)化(hua)钚(bu)(bu)也是(shi)制備(bei)金(jin)屬钚(bu)(bu)的(de)一種化(hua)合物。
四(si)氯化(hua)钚是不穩定化(hua)合物,容(rong)易分解,不易制得。钚(IV)的其(qi)他氯化(hua)物有(you)M2PuCl6(M為Cs、Rb、K、Na等)。
其他已(yi)經制得的化合物還有:三溴化钚(bu),熔點約(yue)為681℃;三碘化钚(bu),熔點約(yue)777℃。
二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)是綠棕(zong)色到黃棕(zong)色的(de)固(gu)體(ti),在(zai)(zai)氦氣(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)熔(rong)點(dian)為2280±30℃,蒸氣(qi)壓很低;它的(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)惰(duo)(duo)性很大,在(zai)(zai)鹽酸(suan)和硝酸(suan)中(zhong)(zhong)(zhong)溶解(jie)極慢且不完全,在(zai)(zai)沸騰(teng)的(de)氫溴酸(suan)中(zhong)(zhong)(zhong)溶解(jie)較快,用硫酸(suan)氫鈉等熔(rong)劑在(zai)(zai)熔(rong)融(rong)條(tiao)件下可(ke)(ke)(ke)溶解(jie)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu);高(gao)溫下二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)(ke)與(yu)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氫反應(ying)生(sheng)成三(san)氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物,有(you)氧(yang)(yang)氣(qi)存在(zai)(zai)時生(sheng)成四氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物;高(gao)溫下與(yu)氟(fu)(fu)作用生(sheng)成六氟(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu),與(yu)鋅鎂合(he)金(jin)反應(ying)還(huan)原生(sheng)成金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)。由(you)于二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)具有(you)高(gao)熔(rong)點(dian)、輻照穩(wen)定、同(tong)金(jin)屬互(hu)容以及容易制(zhi)(zhi)備等特性,是核燃料的(de)一種適用的(de)組(zu)成形式。二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)(ke)由(you)金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)或其化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(磷酸(suan)鹽除外)在(zai)(zai)空氣(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)灼燒(shao)制(zhi)(zhi)得(de)(de)(de),也可(ke)(ke)(ke)由(you)含(han)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物在(zai)(zai)真空或惰(duo)(duo)性氣(qi)氛中(zhong)(zhong)(zhong)加熱(re)(re)到1000℃而制(zhi)(zhi)得(de)(de)(de)。β-三(san)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)熔(rong)點(dian)為2085±25℃;可(ke)(ke)(ke)由(you)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)與(yu)碳在(zai)(zai)氦中(zhong)(zhong)(zhong)加熱(re)(re)到1625℃制(zhi)(zhi)得(de)(de)(de)。α-三(san)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)可(ke)(ke)(ke)由(you)在(zai)(zai)真空中(zhong)(zhong)(zhong)加熱(re)(re)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)到1650~1800℃而制(zhi)(zhi)得(de)(de)(de)。α-三(san)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)由(you)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)時損失氧(yang)(yang)而制(zhi)(zhi)得(de)(de)(de),其熔(rong)點(dian)為2360±20℃。
碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu):已知有(you)(you)二(er)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)三钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、三碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)和(he)二(er)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)。室溫下(xia)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)空氣中(zhong)穩定,但(dan)在(zai)(zai)400℃時則(ze)劇烈燃(ran)燒(shao);不(bu)與(yu)(yu)(yu)冷水作(zuo)(zuo)用,但(dan)與(yu)(yu)(yu)熱水反(fan)應(ying)生成三價(jia)氫(qing)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)、氫(qing)和(he)甲烷的(de)混(hun)合(he)物(wu),以(yi)及少(shao)量(liang)的(de)其他碳(tan)(tan)(tan)(tan)氫(qing)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu);碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)與(yu)(yu)(yu)冷硝(xiao)酸作(zuo)(zuo)用很慢。三碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)性質(zhi)與(yu)(yu)(yu)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)略有(you)(you)不(bu)同(tong),三碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)高(gao)溫下(xia)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)作(zuo)(zuo)用及在(zai)(zai)酸和(he)沸水中(zhong)的(de)水解作(zuo)(zuo)用都比(bi)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)弱(ruo)。钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)可由金屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、二(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)或氫(qing)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)(zai)高(gao)溫下(xia)與(yu)(yu)(yu)石(shi)墨反(fan)應(ying)而(er)制(zhi)得。反(fan)應(ying)條件不(bu)同(tong),可以(yi)制(zhi)得不(bu)同(tong)組分的(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)。钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)由于(yu)具有(you)(you)較高(gao)的(de)導(dao)熱性、低的(de)蒸氣壓和(he)較大的(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)密度(du),可以(yi)做(zuo)核(he)反(fan)應(ying)堆的(de)燃(ran)料。
氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物:已知钚(bu)的唯(wei)一(yi)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物為氮(dan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)。氮(dan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)在氬氣氛(fen)中(zhong)熔點為2450±50℃;遇(yu)冷(leng)水緩慢水解并生(sheng)成(cheng)二氧化(hua)(hua)(hua)钚(bu),氮(dan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)易溶(rong)于(yu)無機(ji)酸中(zhong);與氮(dan)化(hua)(hua)(hua)鈾能形成(cheng)一(yi)系列固溶(rong)體。氮(dan)化(hua)(hua)(hua)钚(bu)具(ju)備核(he)燃(ran)料(liao)的
某些特性(xing),如熔點高(gao)、钚(bu)密(mi)度高(gao)和好的(de)導(dao)熱性(xing),但(dan)它(ta)的(de)主要缺點是在高(gao)溫(wen)下(xia)揮(hui)發性(xing)較(jiao)高(gao)和易分(fen)解。氮化钚(bu)可由氫化钚(bu)與氮在高(gao)于(yu)230℃時反(fan)應而制得。
草(cao)酸(suan)鹽(yan):钚(bu)(III)的(de)草(cao)酸(suan)鹽(yan)Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(bu)(IV)的(de)Pu(C2O4)2·6H2O都是難溶(rong)性化合物,隨著加熱,它們逐(zhu)漸失去其(qi)結晶水,隨后分解(jie),最終(zhong)產物為二氧化钚(bu)。钚(bu)的(de)草(cao)酸(suan)鹽(yan)可由钚(bu)的(de)相應(ying)氧化態的(de)鹽(yan)的(de)稀酸(suan)溶(rong)液與草(cao)酸(suan)或草(cao)酸(suan)鈉沉淀(dian)而制得。
能(neng)源與熱源:同位素(su)钚(bu)(bu)-238的半(ban)衰期為87.74年。它(ta)會放出(chu)大量熱能(neng),伴(ban)隨著(zhu)低(di)能(neng)的伽馬和自發裂(lie)變射(she)線(xian)/粒(li)(li)子。它(ta)是α輻(fu)射(she)體,同時(shi)具有(you)高輻(fu)射(she)能(neng)及低(di)穿透性(xing),故僅需低(di)度防護(hu)措施。單一紙(zhi)張就可以抵擋钚(bu)(bu)-238所放射(she)出(chu)的α粒(li)(li)子;同時(shi),每公(gong)斤(jin)的钚(bu)(bu)-238可產生約570瓦特熱能(neng)。
對钚毒(du)性的(de)(de)(de)(de)誤解由來已久,關于它是劇毒(du)的(de)(de)(de)(de)物質(zhi)、“一(yi)丁點(dian)就(jiu)能(neng)(neng)致人死亡”的(de)(de)(de)(de)說法(fa)在西方世界也(ye)同(tong)樣流傳廣泛。推(tui)測,钚可能(neng)(neng)是受到了劇毒(du)的(de)(de)(de)(de)釙的(de)(de)(de)(de)牽連(lian)。兩者的(de)(de)(de)(de)衰變類(lei)型相(xiang)同(tong),化學(xue)符號接近(jin)(Po、Pu),連(lian)中文寫法(fa)、讀音(yin)都那么那么的(de)(de)(de)(de)相(xiang)近(jin),也(ye)難怪不(bu)明(ming)真(zhen)相(xiang)的(de)(de)(de)(de)群眾們把(ba)他們的(de)(de)(de)(de)各類(lei)性質(zhi)掰(bai)到一(yi)起(qi)去。
流言
據BBC報道,前英國(guo)政府輻射事務顧問巴斯(si)比(bi)博士表示,日本核(he)電站的(de)(de)(de)問題極為(wei)嚴重,尤其令人擔心(xin)的(de)(de)(de)是(shi)福(fu)島核(he)電站三號反(fan)應堆。他(ta)稱,該反(fan)應堆遇到麻煩,因(yin)(yin)為(wei)它使(shi)用的(de)(de)(de)是(shi)一(yi)(yi)種不同的(de)(de)(de)燃料:它不是(shi)鈾,而(er)是(shi)一(yi)(yi)種鈾钚(bu)混(hun)合(he)燃料,而(er)钚(bu)是(shi)極為(wei)危險(xian)的(de)(de)(de),因(yin)(yin)此一(yi)(yi)旦(dan)這種物質(zhi)泄(xie)漏出來,將使(shi)海嘯災難雪上(shang)加霜。钚(bu)是(shi)世界(jie)上(shang)毒(du)(du)性第二(er)大的(de)(de)(de)物質(zhi)(世界(jie)上(shang)毒(du)(du)性第一(yi)(yi)大的(de)(de)(de)物質(zhi)為(wei)釙)。一(yi)(yi)片(pian)藥片(pian)大小的(de)(de)(de)钚(bu),足以毒(du)(du)死(si)2億(yi)人,5克(ke)的(de)(de)(de)钚(bu)足以毒(du)(du)死(si)所有人類。钚(bu)的(de)(de)(de)毒(du)(du)性比(bi)砒霜大4.86億(yi)倍。
真相
2011年(nian)3月14日(ri)凌晨03:11的(de)(de)BBC新聞(wen)(wen),報(bao)道(dao)了前英國政府(fu)輻射事務顧(gu)問巴斯比(bi)博士(shi)(Dr Christopher Busby)對福島(dao)(dao)核(he)(he)電(dian)站3號(hao)機組的(de)(de)擔憂。這條新聞(wen)(wen)的(de)(de)背景(jing)是(shi)日(ri)本內閣官房長官枝野(ye)幸(xing)男2011年(nian)3月13日(ri)警(jing)告說,福島(dao)(dao)第一(yi)核(he)(he)電(dian)站3號(hao)機組反應(ying)堆面臨遭(zao)遇外部氫氣爆炸(zha)風險。但是(shi)關于钚的(de)(de)毒(du)(du)性問題(ti),卻(que)不似流言所描述的(de)(de)那么(me)可怕。“一(yi)片藥片大小的(de)(de)钚足以毒(du)(du)死(si)2億人(ren),5克(ke)的(de)(de)钚足以毒(du)(du)死(si)所有人(ren)類(lei)”的(de)(de)說法更是(shi)沒有任何的(de)(de)科學(xue)依據(ju)。香(xiang)港無線電(dian)視的(de)(de)新聞(wen)(wen)節目曾引用此謠傳,結(jie)果被當地監管機構警(jing)告,指報(bao)道(dao)令觀(guan)眾驚(jing)恐,未有提供足夠證據(ju)確(que)保報(bao)道(dao)準確(que)。
結論
钚的(de)(de)(de)毒性并沒有謠言描述(shu)的(de)(de)(de)那么可怕,“5克的(de)(de)(de)钚足(zu)以毒死所有人類”純屬無稽(ji)之談(tan)。使用鈾钚混合(he)燃(ran)料的(de)(de)(de)反應堆如果(guo)發(fa)生爆炸(zha)泄露(lu),并不會比使用鈾燃(ran)料的(de)(de)(de)傳統反應堆要來(lai)的(de)(de)(de)更(geng)危險。對于钚危害(hai)的(de)(de)(de)擔(dan)憂,更(geng)多的(de)(de)(de)是來(lai)自于钚的(de)(de)(de)電離輻射能力。
钚衰(shuai)變時(shi)會產生α射(she)線。α射(she)線的(de)穿透(tou)能力非(fei)常(chang)弱,在(zai)空(kong)氣中前進幾厘米(mi)就將能量耗盡(jin)。對于環(huan)境中的(de)钚并不(bu)用太擔心。一旦钚進入到人(ren)體內(nei)(nei),形成的(de)內(nei)(nei)照(zhao)射(she)會對人(ren)體有一定的(de)影(ying)響。
根據報導,中國核科學(xue)家鄧稼先曾在1979年一次核航彈空投(tou)試驗失敗后接觸過(guo)用(yong)于(yu)制造其核裝置的(de)钚,最(zui)終(zhong)仍活到1986年(死因為長期放射傷(shang)害(hai)導致的(de)癌(ai)癥),可見钚并沒有(you)如謠言中所(suo)描(miao)述的(de)劇烈急毒性。
而(er)英國女王伊莉莎白二(er)世訪問(wen)哈維(wei)爾核(he)子實驗(yan)室(shi)時(shi),就曾受邀觸摸了一(yi)塊以(yi)塑(su)料包裹的(de)钚(bu)環,以(yi)親自體會(hui)其(qi)溫暖的(de)觸感。基于钚(bu)本身的(de)化(hua)學毒(du)性(xing)并不(bu)(bu)那么大,電離輻(fu)射能力也不(bu)(bu)比(bi)其(qi)它放射性(xing)元素要來的(de)特殊,加上鈾钚(bu)混合燃料里钚(bu)也只有7%,3號(hao)反(fan)應(ying)堆如果(guo)發生爆炸泄露,并不(bu)(bu)會(hui)比(bi)其(qi)它使用鈾燃料的(de)反(fan)應(ying)堆要來的(de)更危(wei)險(xian)。