什么是钚？钚是什么？钚有什么危害？

2011-03-30 中華化工網24470

核心提示：中華化工網訊：钚是一種放射性元素，是原子能工業的重要原料，可作為核燃料和核武器的裂變劑。投于長崎市和廣島市的原子彈，都使

中華化工網訊：钚是一種放射性元素，是原子能工業的重要原料，可作為核燃料和核武器的裂變劑。投于長崎市和廣島市的原子彈，都使用了钚制作內核部分。其也是放射性同位素熱電機的熱量來源，常用于驅動太空船。钚是世界上第二毒的物質。钚（英語：Plutonium ，臺灣譯作鈽）原子序數為94，元素符號是Pu，是一種具放射性的超鈾元素。它屬于錒系金屬，外表呈銀白色，接觸空氣后容易銹蝕、氧化，在表面生成無光澤的二氧化钚。钚有六種同素異形體和四種氧化態，易和碳、鹵素、氮、硅起化學反應。钚暴露在潮濕的空氣中時會產生氧化物和氫化物，其體積最大可膨脹70%，屑狀的钚能自燃。它也是一種放射性毒物，會于骨髓中富集。因此，操作、處理钚元素具有一定的危險性。钚的毒性并不像以前普遍流傳的那樣嚴重，也決不是“地球上毒性第二的物質”，或其危害達到“微小粒致人死命”的程度。常見的氰化物、咖啡因、砷的毒性都比钚強。钚的致死量大約是5mg每公斤，所以正常情況下需要超過百毫克才可致死。

　　钚的毒理作用主要在于其重金屬性，侵入人體后會潛伏在人體肺部、骨骼等組織細胞中，破壞細胞基因從而導致癌癥。

　　钚是天然存在于自然界中的質量最重的元素。它最穩定的同位素是钚-244，半衰期約為八千萬年，足夠使钚以微量存在于自然環境中。^[1]

　　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，并應用在核武器與核反應爐上。

　　钚-238的半衰期為88年，并放出α粒子。它是放射性同位素熱電機的熱量來源，常用于驅動太空船。

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

　　分離钚同位素的過程成本極高又耗時費力，因此钚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而合成钚元素。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”）。科學家隨后在自然界中發現了微量的钚。二次大戰時曼哈頓計劃則首度將制造微量钚元素列為主要任務之一，曼哈頓計劃后來成功研制出第一個原子彈。1945年7月的第一次核試驗“三一原子彈”，以及第二次、投于長崎市和廣島市的“胖子原子彈”，都使用了钚制作內核部分。關于钚元素的人體輻射實驗研究并在未經受試者同意之下進行，二次大戰期間及戰后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后的廢用，都延伸出日后核武擴散以及環境等問題。非陸上核試驗也會釋出殘余的原子塵，現已依《部分禁止核試驗條約》明令禁止。
钚的基部屬性

名稱	钚（Pu）
系列	錒系元素
周期，元素分區	3，7，f
類型	金屬
外表	銀白色

　　原子屬性

原子量	[244]
原子半徑（計算值）	159 pm
范德華半徑	187±1 pm
氧化態	＋4（＋3、＋5、＋6、＋7）
負電性	1.28（鮑林標度）
核外電子排布	[氡]5f6 7s2（2-8-18-32-24-8-2）
電離能	584.7 KJ/mol
晶體結構	單斜晶系。單斜晶型（钚α和钚β）、斜方晶型（钚γ）、面心立方晶型（钚δ）、體心四方晶型（钚δ'）、體心立方晶型（钚ε）。
晶胞參數	a=618.3 pm
	b=482.2 pm
	c=1096.3 pm
	α=90°
	β=101.790°
	γ=90°

　　物理屬性

性質	固體、放射性、順磁性
接近室溫密度	19.816 g/cm^3
熔點時液體密度	16.63 g/cm^3
熔點	639.4℃（912.5K）
沸點	3228℃（3505K）
摩爾體積	12.32 cm^3/mol
熔化熱	2.82 kJ/mol
汽化熱	333.5 kJ/mol
聲速	2260 m/s（293.15K）
比熱	35.5 J/（kg·K）
電阻率	1.460 µΩ·m
熱導率	6.74 W/（m·K）
楊氏模量	96 GPa
剪切模量	43 GPa
泊松比	0.21

物理性質

　　钚和多數金屬一樣具銀灰色外表，又與鎳特別相似，但它在氧化后會迅速轉為暗灰色（有時呈黃色或橄欖綠）。^[2]^[3]钚在室溫下以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，但與其他金屬制成合金后又變得柔軟而富延展性。钚和多數金屬不同，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）。^[2]

　　钚最普遍釋放的游離輻射類型是α粒子發射（即釋放出高能的氦原子核）。^[4]最典型的一種核子武器核心即是以5公斤（約12.5×10^24個）钚原子構成。由于钚的半衰期為24100年，故其每秒約有11.5×10^12個钚原子產生衰變，發射出5.157 MeV的α粒子，相當于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。^[5]

　　钚在室溫時的電阻率比一般金屬高很多，而且钚和多數金屬相反，其電阻率隨溫度降低而提高。但近期研究指出，當溫度降至100K以下時，钚的電阻率會急遽降低。電阻率由于輻射損傷，會在20K之后逐漸提高，速率因同位素結構而異。

　　钚具有自發輻射性質，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。^[6]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。^[7]

　　钚和多數金屬不同：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，钚的液態金屬具有很高的黏性和表面張力（相較于其他金屬）。^[6]

同素異形體

　　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能相近，但擁有截然不同的密度和晶體結構。因此钚對溫度、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。^[9]

　　諸多同素異形體的存在，造成钚的狀態易變，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，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。^[10]造成钚復雜相圖的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型屬于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

　　钚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

電解法精煉的武器級钚元素環狀物

過渡界線；钚因此常被認為是最復雜的元素之一。^[11]它的同位素钚-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）；钚-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后，能夠產生核分裂，并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。

　　環狀金屬钚重5.3公斤，直徑約11厘米，足夠制作一枚核彈。它的形狀有助于維系臨界安全。

同位素

　　钚有二十種放射性同位素。在自然界中只找到兩種钚同位素，一種是從氟碳鈰鑭礦中找到的微量钚-244，已知钚的同位素中壽命最長的是钚-244，半衰期是8.26×10^7年，它具有足夠長的半衰期，可能是地球上原始存在的。另一種是從含鈾礦物中找到的钚-239，是鈾238吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通過人工核反應合成的。

　　其中壽命最長的有钚-244（半衰期為8080萬年）、钚-242（半衰期為373300年）及钚-239（半衰期為24110年）。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。钚也有八種亞穩態，但狀態并不穩定、半衰期都不超過一秒。^[4]

　　钚的同位素的質量數范圍從228到247不等。其中質量數低于钚-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）和镎（93個質子）的同位素（忽略裂變過程產生之二子核的大范圍）。質量數大于钚-244的同位素則以β衰變為主要衰變方式，衰變產物多為镅（95個質子）。钚-241是镎衰變系的母同位素，透過β粒子或電子放射衰變成镅-241。^[4]^[12]

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