同位素钚-239是核武器中(zhong)(zhong)最重要(yao)的(de)(de)裂變(bian)成(cheng)份。將钚核置入反射體(ti)(質量數(shu)大(da)的(de)(de)物質的(de)(de)反射層(ceng))中(zhong)(zhong),能使逃逸的(de)(de)中(zhong)(zhong)子再反射回彈(dan)心,減少中(zhong)(zhong)子的(de)(de)損失,進而降低(di)钚達到臨界質量的(de)(de)標準(zhun)量:從原需16公(gong)斤的(de)(de)钚,可減少至10公(gong)斤,即一個直徑約(yue)10厘米的(de)(de)球體(ti)的(de)(de)量。它的(de)(de)臨界質量約(yue)僅有鈾-235的(de)(de)三分之一。
曼哈頓計劃期間制造的(de)“胖子原子彈(dan)(dan)”型钚(bu)彈(dan)(dan),為了達(da)到極(ji)高的(de)密度而(er)選(xuan)擇使用易爆炸(zha)、壓(ya)縮的(de)钚(bu),再結合(he)中心(xin)中子源,以刺激(ji)反(fan)應(ying)進(jin)行、提高反(fan)應(ying)效率。因此,钚(bu)彈(dan)(dan)只需6.2公(gong)斤钚(bu)便可(ke)達(da)到爆炸(zha)當量,相當于兩萬噸的(de)三(san)硝基甲苯(TNT)。在理想假設(she)中,僅僅4公(gong)斤的(de)钚(bu)原料(甚(shen)至更少),只要搭配復雜的(de)裝配設(she)計,就(jiu)可(ke)制造出一(yi)個原子彈(dan)(dan)。
核廢(fei)(fei)料:一般(ban)輕水(shui)反(fan)應(ying)(ying)爐所產生(sheng)的(de)核廢(fei)(fei)料中(zhong)含有钚(bu)(bu),但為钚(bu)(bu)-242、钚(bu)(bu)-239和钚(bu)(bu)-238的(de)混合物。它(ta)的(de)濃(nong)度不(bu)足以制(zhi)作成(cheng)(cheng)核武器,不(bu)過可以改用作一次性(xing)的(de)混氧燃(ran)料(MOX fuel)。在反(fan)應(ying)(ying)爐中(zhong)以慢速(su)熱中(zhong)子放射(she)線照射(she)钚(bu)(bu)時(shi)(shi),會偶然發生(sheng)中(zhong)子俘獲(huo),而增加钚(bu)(bu)-242和钚(bu)(bu)-240的(de)量。因此反(fan)應(ying)(ying)進(jin)行到(dao)第二輪之(zhi)后,钚(bu)(bu)只能和快中(zhong)子反(fan)應(ying)(ying)堆反(fan)應(ying)(ying)、消耗。在反(fan)應(ying)(ying)器中(zhong)沒有快中(zhong)子時(shi)(shi)(普遍情況下),剩余的(de)钚(bu)(bu)通(tong)常會被遺棄,形(xing)成(cheng)(cheng)壽(shou)命長、處理棘手(shou)的(de)核廢(fei)(fei)料。
1934年(nian),恩(en)里(li)科·費米(mi)和(he)羅馬大學的研(yan)究團隊發(fa)(fa)布消(xiao)息表(biao)示他們發(fa)(fa)現了元素(su)(su)94。1783年(nian)胡塞(sai)·德盧亞爾(er)和(he)浮士圖(tu)·德盧亞爾(er)兄弟(di)發(fa)(fa)現從黑鎢礦可以獲得同樣(yang)的酸(suan)。費米(mi)將元素(su)(su)取名(ming)“hesperium”,并曾在他1938年(nian)的諾(nuo)貝爾(er)獎(jiang)演說中提及。然而,他們的研(yan)究成果其實是鋇、氪等(deng)許多(duo)其他元素(su)(su)的混(hun)合物。但由于當時(shi)核分裂尚未發(fa)(fa)現,這(zhe)個(ge)誤會便(bian)一直延續。
1940年美(mei)國G.T.西博格(ge)、E.M.埃德溫·麥克米(mi)倫、J.W.肯尼(ni)迪和A.C.沃(wo)爾用152.4cm回旋加(jia)速器加(jia)速的(de)(de)16兆電子伏氘核轟(hong)擊鈾(you)時發現钚(bu)-238。第二(er)年又發現钚(bu)的(de)(de)最(zui)重要(yao)的(de)(de)同位素钚(bu)-239。
1941年,經找到周期表中(zhong)最(zui)后一個可能存在的(de)元(yuan)素,而考慮(lv)過“ultimium”或“extremium”等名稱。
钚(Plutonium),原子(zi)序數為(wei)94,元(yuan)素符(fu)號(hao)是(shi)Pu,是(shi)一種具(ju)放射性(xing)的(de)超(chao)鈾元(yuan)素。半(ban)衰期為(wei)24萬5千年。它屬(shu)于錒系(xi)金屬(shu),外表(biao)(biao)呈銀白色,接觸空(kong)氣后容易銹(xiu)蝕(shi)、氧(yang)化,在表(biao)(biao)面生(sheng)成無光澤的(de)二氧(yang)化钚。
钚有(you)六種同位素(su)和(he)四種氧(yang)化(hua)態,易和(he)碳、鹵素(su)、氮(dan)、硅起化(hua)學反(fan)應。钚暴露(lu)在潮濕的空氣中(zhong)時會產生氧(yang)化(hua)物和(he)氫化(hua)物,其體積最大可膨脹70%,屑狀的钚能自燃。它也(ye)是一種放射(she)性毒物,會于骨(gu)髓中(zhong)富集。因此,操作、處理钚元素(su)具有(you)一定的危(wei)險性。
钚和多(duo)數金屬(shu)一(yi)樣具(ju)銀灰色外表(biao),又與鎳特別(bie)相似,但它在氧化后會迅速轉(zhuan)為暗灰色(有時呈黃色或(huo)橄欖綠)。钚在室溫下以(yi)α型存在,是(shi)元素(su)最普遍(bian)的(de)(de)(de)結(jie)構型態(同素(su)異(yi)形(xing)體),質地如鑄鐵般堅而(er)質脆,但與其他金屬(shu)制(zhi)成合金后又變得柔(rou)軟而(er)富延展性。钚和多(duo)數金屬(shu)不同,它不是(shi)熱(re)和電的(de)(de)(de)良好導(dao)體。它的(de)(de)(de)熔點很低(di)(640°C),而(er)沸點異(yi)常(chang)的(de)(de)(de)高(3235°C)。
钚(bu)在(zai)室溫(wen)時(shi)的電(dian)阻(zu)率(lv)比一般金屬高很多(duo),而且(qie)钚(bu)和(he)多(duo)數金屬相反,其電(dian)阻(zu)率(lv)隨溫(wen)度降低而提高。但研究指出,當溫(wen)度降至100K以下(xia)時(shi),钚(bu)的電(dian)阻(zu)率(lv)會急劇降低。電(dian)阻(zu)率(lv)由于輻射損傷,會在(zai)20K之后逐(zhu)漸提高,速率(lv)因同位素(su)結(jie)構而異。
钚具有自(zi)發輻(fu)射性質(zhi),使(shi)得晶(jing)體結構產(chan)(chan)生疲(pi)勞,即原(yuan)有秩(zhi)序的原(yuan)子排列(lie)因為輻(fu)射而(er)隨時(shi)間產(chan)(chan)生紊亂。然而(er),當溫度上升超(chao)過100K時(shi),自(zi)發輻(fu)射也能導(dao)致退火(huo),削弱疲(pi)勞現象。
钚和多數金屬(shu)不同:它的密度在熔化時(shi)變大(約2.5%),但(dan)液態金屬(shu)的密度又隨溫度呈線性(xing)下降(jiang)。另外,接近熔點時(shi),钚的液態金屬(shu)具有很(hen)高的黏性(xing)和表面張力(相較于其(qi)他金屬(shu))。
钚最(zui)普遍(bian)釋(shi)放(fang)的游離輻射(she)(she)類型是α粒子(zi)發(fa)射(she)(she)(即釋(shi)放(fang)出(chu)高(gao)能(neng)的氦原(yuan)子(zi)核)。最(zui)典型的一種(zhong)核武器核心(xin)即是以5公斤(約12.5×1024個(ge))钚原(yuan)子(zi)構成。由(you)于钚的半(ban)衰期(qi)為24100年,故其每秒約有11.5×1012個(ge)钚原(yuan)子(zi)產生衰變,發(fa)射(she)(she)出(chu)5.157MeV的α粒子(zi),相當(dang)于9.68瓦(wa)特能(neng)量。α粒子(zi)的減速會(hui)釋(shi)放(fang)出(chu)熱能(neng),使觸摸時(shi)感(gan)覺溫(wen)暖。
钚及(ji)其(qi)同位素因為其(qi)放(fang)射(she)性而(er)有(you)一(yi)定危(wei)險性。钚產生的(de)(de)(de)(de)α射(she)線并不(bu)會(hui)穿透人體(ti)的(de)(de)(de)(de)皮(pi)膚而(er)進入(ru)人體(ti),但钚可能被人體(ti)吸入(ru)或消化而(er)進入(ru)人體(ti)從而(er)對(dui)內臟造(zao)成不(bu)利影(ying)響。α射(she)線會(hui)造(zao)成細胞(bao)的(de)(de)(de)(de)損(sun)(sun)傷、染色體(ti)的(de)(de)(de)(de)損(sun)(sun)傷,理論上可能導致癌癥發病率(lv)的(de)(de)(de)(de)上升(sheng)。但是這種影(ying)響并不(bu)會(hui)比其(qi)它能放(fang)出α射(she)線的(de)(de)(de)(de)放(fang)射(she)性物質危(wei)害(hai)更大(da)。相(xiang)(xiang)比之下,钚的(de)(de)(de)(de)半衰期很(hen)長,使(shi)得單位時間里的(de)(de)(de)(de)輻射(she)量相(xiang)(xiang)對(dui)要(yao)小,危(wei)害(hai)也就更小。在(zai)(zai)(zai)自然界廣泛存在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)氡的(de)(de)(de)(de)放(fang)射(she)危(wei)害(hai)就要(yao)比钚大(da)的(de)(de)(de)(de)多(duo)。钚容易在(zai)(zai)(zai)人體(ti)的(de)(de)(de)(de)肝臟和(he)骨骼(ge)中(zhong)聚集,但該過程非(fei)常緩慢(man)。
在20世紀四十年代(dai),美(mei)國就有(you)26名工作(zuo)人員(yuan)因(yin)(yin)核武器研究,受到了(le)钚的(de)(de)污染(ran)。但是在他們身上并沒有(you)出現嚴(yan)重的(de)(de)健(jian)康影響(xiang),更沒有(you)人因(yin)(yin)此而死亡。
在(zai)一(yi)般(ban)情況下,钚有(you)六種(zhong)同(tong)素異形(xing)體(ti)(ti),并在(zai)高(gao)溫(wen)(wen)、限定壓力范(fan)圍下有(you)第七(qi)種(zhong)(zeta,ζ)存(cun)在(zai)。這些同(tong)素異形(xing)體(ti)(ti)的(de)(de)內能相近,但擁有(you)截然不同(tong)的(de)(de)密度和晶體(ti)(ti)結(jie)構。因(yin)此钚對溫(wen)(wen)度、壓力以及化學性(xing)(xing)質的(de)(de)變化十(shi)分(fen)敏感,各同(tong)素異形(xing)體(ti)(ti)的(de)(de)體(ti)(ti)積并隨相變而(er)具有(you)極大差異性(xing)(xing)。密度因(yin)同(tong)素異形(xing)體(ti)(ti)而(er)異,范(fan)圍自(zi)16.00g/cm3到19.86g/cm3不等(deng)。
諸多同(tong)素(su)異(yi)形體(ti)的(de)存在,造(zao)(zao)(zao)成(cheng)钚(bu)(bu)的(de)狀態易(yi)變(bian),使钚(bu)(bu)元素(su)的(de)制造(zao)(zao)(zao)變(bian)得非(fei)常困難(nan)。例(li)如,α型(xing)存在于室溫(wen)的(de)純钚(bu)(bu)中。它(ta)和鑄鐵有許多相(xiang)似加工后性(xing)質,但只要稍微提高(gao)溫(wen)度,便(bian)會(hui)轉成(cheng)具有可塑性(xing)和可鍛(duan)造(zao)(zao)(zao)性(xing)的(de)β型(xing)。造(zao)(zao)(zao)成(cheng)钚(bu)(bu)復雜相(xiang)圖的(de)背后因(yin)素(su)迄(qi)今仍未被完整解惑。α型(xing)屬(shu)于低對稱性(xing)的(de)單(dan)斜結構,因(yin)此促(cu)成(cheng)它(ta)的(de)易(yi)碎性(xing)、強度、壓縮性(xing)及低傳導性(xing)。
钚(bu)是一(yi)種具放射性的(de)錒(a)系金(jin)屬。它的(de)5f電子(zi)是離(li)域和定域之間的(de)過渡界線。钚(bu)因此常(chang)被(bei)認為是最復雜的(de)元素之一(yi)。它的(de)同位素钚(bu)-239是三個最重(zhong)要(yao)的(de)易裂變(bian)同位素之一(yi)(另外二者為鈾-233和鈾-235);钚(bu)-241也具有(you)高度易裂變(bian)性。所謂的(de)具“易裂變(bian)性”(fissile),是指同位素的(de)原子(zi)核(he)(he)受到慢中子(zi)撞擊后(hou),能夠產生核(he)(he)分裂,并另釋(shi)放出足以(yi)支持(chi)核(he)(he)連鎖反應、進一(yi)步促使原子(zi)核(he)(he)分裂的(de)中子(zi)。
環狀(zhuang)金屬钚重5.3公斤,直(zhi)徑約(yue)11厘(li)米,足夠制作(zuo)一枚核彈。它(ta)的(de)形狀(zhuang)有助于維系臨界安全。
钚(bu)(bu)有二十種放射性同位素(su)(su)。在(zai)自(zi)然界中(zhong)只找(zhao)到(dao)兩種钚(bu)(bu)同位素(su)(su),一(yi)種是(shi)從氟碳(tan)鈰鑭(lan)礦中(zhong)找(zhao)到(dao)的(de)(de)微量钚(bu)(bu)-244,已知(zhi)钚(bu)(bu)的(de)(de)同位素(su)(su)中(zhong)壽命(ming)最長(chang)(chang)的(de)(de)是(shi)钚(bu)(bu)-244,半衰期是(shi)8.26×107年,它具有足夠(gou)長(chang)(chang)的(de)(de)半衰期,可能(neng)是(shi)地球上原始存在(zai)的(de)(de)。另一(yi)種是(shi)從含鈾(you)礦物中(zhong)找(zhao)到(dao)的(de)(de)钚(bu)(bu)-239,是(shi)鈾(you)-238吸收自(zi)然界里的(de)(de)中(zhong)子而(er)形成的(de)(de)。其(qi)他钚(bu)(bu)同位素(su)(su)都(dou)是(shi)通(tong)過人工(gong)核反應(ying)合成的(de)(de)。
其(qi)中壽命最長的(de)有钚-244(半衰期(qi)為8080萬年)、钚-242(半衰期(qi)為373300年)及(ji)钚-239(半衰期(qi)為24110年)。其(qi)余的(de)放射性同位素半衰期(qi)都低于7000年。钚也(ye)有八種亞穩態,但狀(zhuang)態并不穩定、半衰期(qi)都不超過(guo)一秒。
钚的(de)同(tong)位(wei)素(su)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)范圍(wei)從(cong)228到247不(bu)等。其中質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)低于钚-244(最穩定的(de)同(tong)位(wei)素(su))的(de)同(tong)位(wei)素(su),主要的(de)衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)方式是自發裂(lie)變(bian)和α衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian),衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)產物通常生成鈾(92個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi))和镎(93個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi))的(de)同(tong)位(wei)素(su)(忽略裂(lie)變(bian)過程產生之(zhi)二(er)子(zi)(zi)核的(de)大(da)范圍(wei))。質(zhi)(zhi)量(liang)數(shu)大(da)于钚-244的(de)同(tong)位(wei)素(su)則(ze)以(yi)β衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)為主要衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)方式,衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)產物多為镅(95個質(zhi)(zhi)子(zi)(zi))。钚-241是镎衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)系的(de)母(mu)同(tong)位(wei)素(su),透過β粒子(zi)(zi)或電子(zi)(zi)放射(she)衰(shuai)(shuai)(shuai)(shuai)變(bian)成镅-241。
钚-238和钚-239是最普遍的人(ren)造同位素。钚-239是使(shi)用鈾(U)和中(zhong)子(n),并(bing)以(yi)镎(Np-239)作(zuo)為中(zhong)間體(ti),產生(sheng)β衰(shuai)變(β)。透(tou)過反應(ying)1合成。
鈾(you)-235裂變(bian)中(zhong)(zhong)的中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)被鈾(you)-238原子(zi)(zi)核俘(fu)獲(huo)、形成(cheng)鈾(you)-239;β衰(shuai)(shuai)變(bian)將一(yi)個中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)轉變(bian)成(cheng)質子(zi)(zi),形成(cheng)镎(na)-239(半衰(shuai)(shuai)期(qi)為2.36日),另(ling)一(yi)次β衰(shuai)(shuai)變(bian)則形成(cheng)钚-239。合金管計劃(hua)的學(xue)者曾在1940年推導出此反應式。
钚-238是(shi)以氘核(D,重氫的原子核)撞擊(ji)鈾-238。透過反(fan)應2合成。
在此(ci)反(fan)應過程中,一(yi)個氘核撞擊鈾-238,生成(cheng)兩個中子(zi)(zi)和镎-238;镎-238再(zai)發射負β粒(li)子(zi)(zi)、產生自發衰變,形(xing)成(cheng)钚-238。
钚同(tong)(tong)位(wei)素會(hui)發生放(fang)射性衰變,釋(shi)放(fang)出衰變熱(re)。不同(tong)(tong)的同(tong)(tong)位(wei)素,單(dan)位(wei)質量(liang)所釋(shi)出的熱(re)量(liang)也有所差異。衰變熱(re)的單(dan)位(wei)通常(chang)以“瓦特(te)/公斤”或“毫(hao)瓦特(te)/公克”計。所有同(tong)(tong)位(wei)素在衰變時(shi)都會(hui)釋(shi)放(fang)出微弱(ruo)的伽(jia)馬射線。
它(ta)最穩定的(de)同位素是钚(bu)-244,半衰(shuai)期約為八千萬年,足夠使(shi)钚(bu)以微量(liang)存(cun)在于自然環境中。
钚(bu)最(zui)重要的同(tong)位素是(shi)钚(bu)-239,半衰期為(wei)24100年,常被用(yong)制核(he)子(zi)武(wu)器。钚(bu)-239和(he)钚(bu)-241都易于裂(lie)變,即(ji)它們的原子(zi)核(he)可以在慢速(su)熱中子(zi)撞擊下產生核(he)分(fen)裂(lie),釋放出能(neng)量、伽馬射(she)線(xian)(γ射(she)線(xian))以及中子(zi)輻射(she),從而形(xing)成(cheng)核(he)連鎖(suo)反應(ying),并應(ying)用(yong)在核(he)武(wu)器與核(he)反應(ying)爐上。
钚-238的半衰(shuai)期為88年(nian),并放(fang)出(chu)阿爾法粒子(zi)(α粒子(zi))。它是放(fang)射性同位素熱電機的熱量來源(yuan),常用于驅動(dong)太(tai)空船。
钚-240自發裂變的比率很(hen)高(gao),容(rong)易造成(cheng)中子通量激增,因(yin)而(er)影響了钚作為核武及反應器燃料的適(shi)用性。
分離(li)钚(bu)同(tong)位(wei)素(su)的過程成本極高又耗時費(fei)力,因此(ci)钚(bu)的特(te)定同(tong)位(wei)素(su)時幾乎都是以(yi)特(te)殊反(fan)應合成。
1940年(nian)(nian),格(ge)倫(lun)·西奧多·西博格(ge)和埃德溫·麥克米倫(lun)首度在柏克萊加州(zhou)大(da)學實(shi)驗(yan)室,以(yi)氘撞擊鈾-238而(er)合成(cheng)钚(bu)元(yuan)(yuan)素(su)。麥克米倫(lun)將這個(ge)新元(yuan)(yuan)素(su)取(qu)名Pluto(意(yi)為(wei)冥王星),西博格(ge)便開玩笑提議定其元(yuan)(yuan)素(su)符號為(wei)Pu(音類似英語中(zhong)表嫌(xian)惡(e)時(shi)的口語“pew”)。科學家隨后在自然(ran)界中(zhong)發現了(le)微量(liang)的钚(bu)。二(er)(er)次大(da)戰(zhan)時(shi)曼(man)哈(ha)頓(dun)計劃則(ze)首度將制造微量(liang)钚(bu)元(yuan)(yuan)素(su)列為(wei)主要任務之一(yi),曼(man)哈(ha)頓(dun)計劃后來(lai)成(cheng)功研制出第(di)一(yi)個(ge)原子(zi)(zi)彈(dan)。1945年(nian)(nian)7月的第(di)一(yi)次核(he)(he)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)“三(san)一(yi)原子(zi)(zi)彈(dan)”,以(yi)及(ji)第(di)二(er)(er)次、投于長崎市的“胖子(zi)(zi)原子(zi)(zi)彈(dan)”,都(dou)使用了(le)钚(bu)制作內(nei)核(he)(he)部分。關于钚(bu)元(yuan)(yuan)素(su)的人體輻(fu)射實(shi)驗(yan)研究并在未經(jing)受試(shi)(shi)(shi)者同意(yi)之下進(jin)行,二(er)(er)次大(da)戰(zhan)期(qi)間(jian)及(ji)戰(zhan)后都(dou)有數次核(he)(he)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)相關意(yi)外,其中(zhong)有的甚(shen)至造成(cheng)傷亡。核(he)(he)能(neng)發電廠核(he)(he)廢(fei)料的清除,以(yi)及(ji)冷戰(zhan)期(qi)間(jian)所(suo)打造的核(he)(he)武建(jian)設在核(he)(he)武裁減后的廢(fei)用,都(dou)延伸(shen)出日后核(he)(he)武擴(kuo)散(san)以(yi)及(ji)環境等問題。非(fei)陸上核(he)(he)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)也會釋出殘余的原子(zi)(zi)塵,現已依(yi)《部分禁(jin)止(zhi)核(he)(he)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)條約》明令禁(jin)止(zhi)。
晶體結構
單斜(xie)晶(jing)(jing)系。單斜(xie)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚(bu)α和钚(bu)β)、斜(xie)方(fang)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚(bu)γ)、面心(xin)立方(fang)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚(bu)δ)、體(ti)心(xin)四方(fang)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚(bu)δ')、體(ti)心(xin)立方(fang)晶(jing)(jing)型(xing)(xing)(钚(bu)ε)。
室溫(wen)時,純(chun)钚(bu)金屬(shu)是銀灰色、但因(yin)氧化而銹蝕。钚(bu)在(zai)水溶液中形成四種(zhong)離子氧化態:
Pu(III)—Pu3+(藍紫(zi)色)
Pu(IV)—Pu4+(黃(huang)棕(zong)色(se))
Pu(V)—PuO2+(粉紅色)
Pu(VI)—PuO22+(粉桔色)
Pu(VII)—PuO53-(綠色)七價離(li)子(zi)較稀(xi)有(you)钚溶液所呈現的(de)(de)顏(yan)色決定于氧化態和酸陰離(li)子(zi)的(de)(de)性質(zhi)。
钚的(de)酸陰離子(zi)種類影響了錯(cuo)合(he)(原子(zi)與中心(xin)原子(zi)結合(he))的(de)程(cheng)度(du)。
三氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)為(wei)藍(lan)紫(zi)色(se)固體,熔點(dian)為(wei)1425±3℃;在(zai)沒有鋁或鋯離(li)子(zi)存在(zai)時,很難溶于(yu)酸中。三氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)可(ke)由钚(bu)(IV)的(de)硝(xiao)酸鹽、氧(yang)化(hua)(hua)物、氫氧(yang)化(hua)(hua)物等化(hua)(hua)合物與無水氟(fu)化(hua)(hua)氫在(zai)550~600℃反(fan)應制(zhi)得,也可(ke)在(zai)含钚(bu)(III)的(de)水溶液中加入氟(fu)離(li)子(zi)沉淀而制(zhi)得。三氟(fu)化(hua)(hua)钚(bu)是還(huan)原(yuan)法(fa)制(zhi)金屬钚(bu)的(de)原(yuan)料。
四氟(fu)(fu)化(hua)钚為淡(dan)棕色(PuF4·2.5H2O為粉紅色),熔點為1037℃,沸點約1277℃;微溶于(yu)水(shui),只能溶于(yu)含有硼酸(suan)、鋁(III)或(huo)鐵(III)的(de)溶液中。四氟(fu)(fu)化(hua)钚可(ke)由(you)钚(IV)的(de)氧化(hua)物(wu)、硝(xiao)酸(suan)鹽、草酸(suan)鹽等化(hua)合(he)物(wu)在(zai)有氧氣存在(zai)的(de)條(tiao)件下與無水(shui)氟(fu)(fu)化(hua)氫進行(xing)高溫(wen)反應而制(zhi)得。四氟(fu)(fu)化(hua)钚也(ye)是還原法制(zhi)金屬钚的(de)原料。
六(liu)(liu)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚在-180℃時是(shi)白色固體,液態(tai)和(he)氣態(tai)呈棕(zong)色到(dao)紅(hong)棕(zong)色,熔點(dian)為(wei)51.59℃,沸(fei)點(dian)為(wei)62.16℃;六(liu)(liu)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚在熱力學(xue)上是(shi)不穩定的(de),它是(shi)一個很強的(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)劑;能與(yu)四(si)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)鈾、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)硫、一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)等反應生(sheng)成(cheng)四(si)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚,與(yu)潮濕(shi)空氣或水發生(sheng)非常(chang)激(ji)烈的(de)反應;六(liu)(liu)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚由(you)于α輻解而不斷(duan)生(sheng)成(cheng)四(si)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚。六(liu)(liu)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚可(ke)由(you)二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)钚或四(si)氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)钚在500~700℃高溫下與(yu)氟(fu)(fu)(fu)(fu)氣反應制得。钚(VI)的(de)其他氟(fu)(fu)(fu)(fu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和(he)MPuO2F3·H2O(M為(wei)NH4、Na、K等)。
三氯化(hua)(hua)钚(bu)(bu)是(shi)藍(lan)至綠色的固體,熔點為(wei)750℃,沸點為(wei)1767℃;易(yi)吸(xi)潮,易(yi)溶于酸和水。三氯化(hua)(hua)钚(bu)(bu)可(ke)由多(duo)種方(fang)法制(zhi)(zhi)備(bei),通常由二氧化(hua)(hua)钚(bu)(bu)與光氣在(zai)高溫下反(fan)應而(er)(er)制(zhi)(zhi)得。在(zai)制(zhi)(zhi)備(bei)中(zhong),大多(duo)數其他元素生成揮發(fa)性的氯化(hua)(hua)物,而(er)(er)三氯化(hua)(hua)钚(bu)(bu)不揮發(fa),因而(er)(er)钚(bu)(bu)的純(chun)度較高。三氯化(hua)(hua)钚(bu)(bu)也是(shi)制(zhi)(zhi)備(bei)金屬钚(bu)(bu)的一種化(hua)(hua)合物。
四氯(lv)化(hua)钚是不穩定化(hua)合(he)物(wu),容(rong)易(yi)分解,不易(yi)制得。钚(IV)的其(qi)他氯(lv)化(hua)物(wu)有M2PuCl6(M為Cs、Rb、K、Na等)。
其他已經制得的化(hua)合物還有:三(san)溴化(hua)钚,熔(rong)點約為681℃;三(san)碘化(hua)钚,熔(rong)點約777℃。
二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)是綠棕色(se)到(dao)(dao)黃棕色(se)的(de)固體,在(zai)(zai)(zai)氦(hai)氣中(zhong)(zhong)的(de)熔點(dian)為2280±30℃,蒸氣壓很低;它的(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)學惰性(xing)很大,在(zai)(zai)(zai)鹽酸(suan)(suan)和硝(xiao)酸(suan)(suan)中(zhong)(zhong)溶解極慢且不完(wan)全,在(zai)(zai)(zai)沸(fei)騰的(de)氫溴酸(suan)(suan)中(zhong)(zhong)溶解較快(kuai),用(yong)硫酸(suan)(suan)氫鈉(na)等熔劑在(zai)(zai)(zai)熔融條件(jian)下可溶解二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu);高溫(wen)下二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)可與(yu)氟化(hua)(hua)(hua)(hua)氫反應(ying)生(sheng)(sheng)成(cheng)三氟化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu),有氧(yang)(yang)(yang)氣存在(zai)(zai)(zai)時(shi)生(sheng)(sheng)成(cheng)四氟化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu);高溫(wen)下與(yu)氟作用(yong)生(sheng)(sheng)成(cheng)六氟化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu),與(yu)鋅鎂合金(jin)反應(ying)還原生(sheng)(sheng)成(cheng)金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)。由(you)于(yu)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)具有高熔點(dian)、輻照穩定(ding)、同金(jin)屬互容(rong)以及容(rong)易(yi)制(zhi)備等特性(xing),是核燃料的(de)一種適(shi)用(yong)的(de)組成(cheng)形式。二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)可由(you)金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)或其(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)(磷酸(suan)(suan)鹽除外(wai))在(zai)(zai)(zai)空氣中(zhong)(zhong)灼燒制(zhi)得(de)(de)(de)(de),也可由(you)含(han)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)在(zai)(zai)(zai)真空或惰性(xing)氣氛(fen)中(zhong)(zhong)加(jia)熱(re)到(dao)(dao)1000℃而制(zhi)得(de)(de)(de)(de)。β-三氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)的(de)熔點(dian)為2085±25℃;可由(you)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)與(yu)碳在(zai)(zai)(zai)氦(hai)中(zhong)(zhong)加(jia)熱(re)到(dao)(dao)1625℃制(zhi)得(de)(de)(de)(de)。α-三氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)可由(you)在(zai)(zai)(zai)真空中(zhong)(zhong)加(jia)熱(re)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)到(dao)(dao)1650~1800℃而制(zhi)得(de)(de)(de)(de)。α-三氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)钚(bu)(bu)(bu)由(you)二(er)(er)(er)(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)熔化(hua)(hua)(hua)(hua)時(shi)損(sun)失氧(yang)(yang)(yang)而制(zhi)得(de)(de)(de)(de),其(qi)熔點(dian)為2360±20℃。
碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu):已知有二碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)三钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、三碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)和二碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)。室(shi)溫(wen)下(xia)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)空(kong)氣中穩定,但在(zai)400℃時(shi)則劇烈(lie)燃(ran)燒;不(bu)與(yu)(yu)冷(leng)水(shui)作用,但與(yu)(yu)熱(re)水(shui)反應(ying)生成三價氫氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)、氫和甲烷的(de)(de)混合物(wu)(wu)(wu),以(yi)及少量的(de)(de)其他碳(tan)(tan)(tan)氫化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)(wu);碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)與(yu)(yu)冷(leng)硝酸作用很慢。三碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學性質與(yu)(yu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)略有不(bu)同(tong),三碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)二钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)高溫(wen)下(xia)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)作用及在(zai)酸和沸(fei)水(shui)中的(de)(de)水(shui)解作用都(dou)比碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(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)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)可由金(jin)屬钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)或氫化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)在(zai)高溫(wen)下(xia)與(yu)(yu)石墨反應(ying)而(er)制得。反應(ying)條件(jian)不(bu)同(tong),可以(yi)制得不(bu)同(tong)組分的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)。钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)由于具有較高的(de)(de)導熱(re)性、低的(de)(de)蒸氣壓和較大的(de)(de)钚(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)密度,可以(yi)做核反應(ying)堆的(de)(de)燃(ran)料(liao)。
氮(dan)(dan)化(hua)(hua)物:已知(zhi)钚的(de)唯(wei)一(yi)氮(dan)(dan)化(hua)(hua)物為氮(dan)(dan)化(hua)(hua)钚。氮(dan)(dan)化(hua)(hua)钚在氬氣氛中熔點為2450±50℃;遇(yu)冷水(shui)緩(huan)慢水(shui)解并生成二氧化(hua)(hua)钚,氮(dan)(dan)化(hua)(hua)钚易(yi)溶于無機酸中;與氮(dan)(dan)化(hua)(hua)鈾能形成一(yi)系列固溶體。氮(dan)(dan)化(hua)(hua)钚具(ju)備核燃料的(de)
某些特性(xing)(xing),如熔點(dian)高(gao)、钚密(mi)度高(gao)和好的(de)導熱性(xing)(xing),但它的(de)主要(yao)缺點(dian)是在高(gao)溫下揮發性(xing)(xing)較高(gao)和易分解。氮化钚可由氫(qing)化钚與氮在高(gao)于230℃時反應而制(zhi)得(de)。
草(cao)(cao)酸(suan)鹽:钚(III)的(de)草(cao)(cao)酸(suan)鹽Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(IV)的(de)Pu(C2O4)2·6H2O都是難(nan)溶性化(hua)合物,隨著加(jia)熱,它們逐(zhu)漸失去其結晶水,隨后分解,最終產物為(wei)二氧(yang)化(hua)钚。钚的(de)草(cao)(cao)酸(suan)鹽可由钚的(de)相(xiang)應氧(yang)化(hua)態的(de)鹽的(de)稀酸(suan)溶液與草(cao)(cao)酸(suan)或草(cao)(cao)酸(suan)鈉沉淀而制得。
能源(yuan)與熱(re)源(yuan):同位素钚(bu)-238的(de)半衰期為(wei)87.74年。它(ta)會放出大(da)量熱(re)能,伴隨著低能的(de)伽馬和自發裂變射(she)線/粒子。它(ta)是α輻射(she)體,同時具(ju)有(you)高(gao)輻射(she)能及低穿透性,故僅需低度防護措施。單(dan)一(yi)紙張(zhang)就可以抵擋钚(bu)-238所(suo)放射(she)出的(de)α粒子;同時,每公斤的(de)钚(bu)-238可產(chan)生(sheng)約(yue)570瓦特熱(re)能。
對钚(bu)毒性(xing)(xing)的(de)誤解由(you)來已久,關于它是(shi)劇(ju)毒的(de)物質、“一(yi)丁點(dian)就(jiu)能致人死亡”的(de)說(shuo)法(fa)在(zai)西方(fang)世界也同(tong)樣流傳廣泛(fan)。推測,钚(bu)可能是(shi)受(shou)到(dao)了劇(ju)毒的(de)釙(li)的(de)牽(qian)連。兩者(zhe)的(de)衰變類(lei)型相(xiang)同(tong),化學符號接近(Po、Pu),連中(zhong)文(wen)寫法(fa)、讀(du)音都那么(me)那么(me)的(de)相(xiang)近,也難(nan)怪不明(ming)真相(xiang)的(de)群眾(zhong)們(men)把他們(men)的(de)各類(lei)性(xing)(xing)質掰到(dao)一(yi)起去。
流言
據BBC報道,前英國(guo)政府輻射事務(wu)顧問巴斯(si)比博士表示,日本核電站的(de)問題極為(wei)嚴重,尤其(qi)令人擔(dan)心的(de)是(shi)福島(dao)核電站三號反應堆。他稱,該(gai)反應堆遇到(dao)麻煩,因為(wei)它使用的(de)是(shi)一(yi)種不同的(de)燃料(liao):它不是(shi)鈾(you)(you),而(er)是(shi)一(yi)種鈾(you)(you)钚混(hun)合燃料(liao),而(er)钚是(shi)極為(wei)危險的(de),因此(ci)一(yi)旦(dan)這種物(wu)質(zhi)(zhi)泄(xie)漏(lou)出(chu)來,將使海(hai)嘯災難雪上(shang)(shang)加霜(shuang)。钚是(shi)世(shi)(shi)界(jie)上(shang)(shang)毒(du)性第二大的(de)物(wu)質(zhi)(zhi)(世(shi)(shi)界(jie)上(shang)(shang)毒(du)性第一(yi)大的(de)物(wu)質(zhi)(zhi)為(wei)釙)。一(yi)片藥(yao)片大小的(de)钚,足以毒(du)死2億人,5克的(de)钚足以毒(du)死所有(you)人類。钚的(de)毒(du)性比砒霜(shuang)大4.86億倍。
真相
2011年3月14日(ri)凌(ling)晨03:11的(de)(de)(de)(de)BBC新(xin)聞,報道了前英國(guo)政府輻射事務顧問(wen)巴斯比博(bo)士(Dr Christopher Busby)對福島核電(dian)站(zhan)3號(hao)機(ji)組(zu)的(de)(de)(de)(de)擔憂。這條新(xin)聞的(de)(de)(de)(de)背景(jing)是日(ri)本內閣官房長官枝野(ye)幸(xing)男(nan)2011年3月13日(ri)警(jing)告說(shuo),福島第一(yi)核電(dian)站(zhan)3號(hao)機(ji)組(zu)反應堆面臨遭(zao)遇外部(bu)氫氣爆炸風險。但是關于钚(bu)的(de)(de)(de)(de)毒(du)性問(wen)題,卻不似(si)流言所描述的(de)(de)(de)(de)那么可怕。“一(yi)片藥片大小的(de)(de)(de)(de)钚(bu)足以毒(du)死2億人,5克的(de)(de)(de)(de)钚(bu)足以毒(du)死所有人類(lei)”的(de)(de)(de)(de)說(shuo)法(fa)更是沒有任何的(de)(de)(de)(de)科學依據。香(xiang)港(gang)無線電(dian)視的(de)(de)(de)(de)新(xin)聞節目曾引(yin)用此謠傳,結(jie)果被(bei)當地監管機(ji)構警(jing)告,指(zhi)報道令觀眾驚恐,未有提供足夠(gou)證(zheng)據確保報道準確。
結論
钚的(de)(de)(de)毒性并沒有(you)謠言描述的(de)(de)(de)那么可怕,“5克的(de)(de)(de)钚足以毒死所有(you)人類”純屬無稽(ji)之談。使用(yong)(yong)鈾钚混合燃(ran)料的(de)(de)(de)反應堆如(ru)果(guo)發生爆炸泄露,并不會比使用(yong)(yong)鈾燃(ran)料的(de)(de)(de)傳統反應堆要來(lai)的(de)(de)(de)更危(wei)險。對于(yu)钚危(wei)害的(de)(de)(de)擔憂,更多的(de)(de)(de)是來(lai)自于(yu)钚的(de)(de)(de)電離輻射能(neng)力。
钚衰變時會(hui)產生(sheng)α射線。α射線的穿透能力非常弱,在空氣中(zhong)前進幾厘(li)米就將能量耗盡。對于環境中(zhong)的钚并不用太擔心。一旦钚進入到人體內(nei),形成(cheng)的內(nei)照射會(hui)對人體有(you)一定的影響。
根據報導,中國核科(ke)學家(jia)鄧稼先曾(ceng)在(zai)1979年一次(ci)核航彈空投試(shi)驗失敗后接觸(chu)過用于制造其(qi)核裝置的(de)(de)钚,最終仍活到1986年(死因為(wei)長期放射(she)傷害導致的(de)(de)癌癥(zheng)),可見钚并沒有如謠言(yan)中所(suo)描述(shu)的(de)(de)劇(ju)烈(lie)急毒性。
而(er)英(ying)國女王(wang)伊莉莎白二世訪問哈(ha)維爾核子實驗室時,就曾受邀觸(chu)摸了(le)一塊以塑料(liao)包裹(guo)的钚(bu)環(huan),以親自(zi)體會其(qi)(qi)溫暖的觸(chu)感。基(ji)于钚(bu)本身(shen)的化學毒性并(bing)不那么大,電離(li)輻射能力(li)也不比其(qi)(qi)它放射性元(yuan)素(su)要來(lai)的特殊(shu),加上(shang)鈾钚(bu)混合燃料(liao)里钚(bu)也只有7%,3號反應堆如果發生爆炸泄露,并(bing)不會比其(qi)(qi)它使用鈾燃料(liao)的反應堆要來(lai)的更危險(xian)。