[科普中国]-钸

简介

钚是天然存在于自然界中质量最重的原子。它最稳定的同位素是钚-244，半衰期约为八千万年，足够使钚以微量存在于自然环境中。

钚最重要的同位素是钚-239，半衰期为2.41万年，常被用来制造核子武器。钚-239和钚-241都易于裂变，即它们的原子核可以在慢速热中子撞击下产生核分裂，释出能量、伽马射线以及中子辐射，从而形成核连锁反应，并应用在核武器与核反应堆上。钚-238的半衰期为88年，并放出α粒子。它是放射性同位素热电机的热量来源，常用于驱动太空船。钚-240自发裂变的比率很高，容易造成中子通量激增，因而影响了钚作为核武及反应器燃料的适用性。分离钚同位素的过程成本极高又耗时费力，因此钚的特定同位素时几乎都是以特殊反应合成。

1940年，格伦·西奥多·西博格和埃德温·麦克米伦首度在柏克莱加州大学实验室，以氘撞击铀-238而合成钚元素。麦克米伦将这个新元素取名Pluto（意为冥王星），西博格便开玩笑提议定其元素符号为Pu（音类似英语中表嫌恶时的口语“pew”）。科学家随后在自然界中发现了微量的钚。二次大战时曼哈顿计划则首度将制造微量钚元素列为主要任务之一，曼哈顿计划后来成功研制出第一个原子弹。1945年7月的第一次核试验“三一试验”，以及第二次、投于长崎市的“胖子原子弹”，都使用了钚制作内核部分。关于钚元素的人体辐射实验研究并在未经受试者同意之下进行，二次大战期间及战后都有数次核试验相关意外，其中有的甚至造成伤亡。核能发电厂核废料的清除，以及冷战期间所打造的核武建设在核武裁减后的废用，都延伸出日后核武扩散以及环境等问题。非陆上核试验也会释出残余的原子尘，现已依《部分禁止核试验条约》明令禁止。1

特性物理性质钚和多数金属一样具银灰色外表，又与镍特别相似，但它在氧化后会迅速转为暗灰色（有时呈黄色或橄榄绿），而将其氧化后，会产生一定的热能。钚在室温下以α型存在，是元素最普遍的结构型态（同素异形体），质地如铸铁般坚而易脆，但与其他金属制成合金后又变得柔软而富延展性。钚和多数金属不同，它不是热和电的良好导体。它的熔点很低（640 °C），而沸点异常的高（3327 °C）。

钚最普遍释放的电离辐射类型是α粒子发射（即释放出高能的氦原子核）。最典型的一种核子武器核心即是以5公斤（约12.5×1024个）钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年，故其每秒约有11.5×1012个钚原子产生衰变，发射出5.157 MeV的α粒子，相当于9.68瓦特能量。α粒子的减速会释放出热能，使触摸时感觉温暖。

电阻率是表物质所能抵抗电流流经强度的物理量。钚室温时的电阻率比一般金属高很多，而且钚和多数金属相反，其电阻率随温度降低而提高[9]。但近期研究指出，当温度降至100K以下时，钚的电阻率会急遽降低。电阻率由于辐射损伤，会在20K之后逐渐提高，速率因同位素结构而异。

钚具有自发辐射性质，使得晶体结构产生疲劳，即原有秩序的原子排列因为辐射而随时间产生紊乱。然而，当温度上升超过100K时，自发辐射也能导致退火，削弱疲劳现象。

钚和多数金属不同：它的密度在熔化时变大（约2.5%），但液态金属的密度又随温度呈线性下降。另外，接近熔点时，钚的液态金属具有很高的黏性和表面张力（相较于其他金属）。2

同核异构体在一般情况下，钚有六种同素异形体，并在高温、限定压力范围下有第七种（ζ）存在[12]。这些同素异形体的内能相近，但拥有截然不同的密度和晶体结构。因此钚对温度、压力以及化学性质的变化十分敏感，各同素异形体的体积并随相变而具有极大差异性。密度因同核异构体而异，范围自16.00 g/cm3到19.86 g/cm3不等。

诸多同素异形体的存在，造成钚的状态易变，使钚元素的制造变得非常困难。例如，α型存在于室温的纯钚中。它和铸铁有许多相似加工后性质，但只要稍微提高温度，便会转成具有可塑性和可锻造性的β型。造成钚复杂相图的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型属于低对称性的单斜结构，因此促成它的易碎性、强度、压缩性及低传导性。

核分裂钚是一种具放射性的锕系金属。它的5f电子是离域和定域之间的过渡界线；钚因此常被认为是最复杂的元素之一。它的同位素钚-239是三个最重要的易裂变同位素之一（另外二者为铀-233和铀-235）；钚-241也具有高度易裂变性。所谓的具“易裂变性”（fissile），是指同位素的原子核受到慢中子撞击后，能够产生核分裂，并另释放出足以支持核连锁反应、进一步促使原子核分裂的中子。

同位素与人造元素钚有二十种放射性同位素。其中寿命最长的有钚-244（半衰期为8080万年）、钚-242（半衰期为373300年）及钚-239（半衰期为24110年）。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。钚也有八种亚稳态，但状态并不稳定、半衰期都不超过一秒。

钚的同位素的质量数范围从228到247不等。其中质量数低于钚-244（最稳定的同位素）的同位素，主要的衰变方式是自发裂变和α衰变，衰变产物通常生成铀（92个质子）和镎（93个质子）的同位素（忽略裂变过程产生之二子核的大范围）。质量数大于钚-244的同位素则以β衰变为主要衰变方式，衰变产物多为镅（95个质子）。钚-241是镎衰变系的母同位素，透过β粒子或电子放射衰变成镅-241。

钚-238和钚-239是最普遍的人造同位素。钚-239是使用铀（U）和中子（n），并以镎（Np）作为中间体，产生β衰变（β），透过下列反应合成：

铀-235裂变中的中子被铀-238原子核俘获、形成铀-239；β衰变将一个中子转变成质子，形成镎-239（半衰期为2.36日），另一次β衰变则形成钚-239[18]。合金管工程的学者曾在1940年推导出此反应式。

钚-238是以氘核（D，重氢的原子核）撞击铀-238，透过下列反应合成：

在此反应过程中，一个氘核撞击铀-238，生成两个中子和镎-238；镎-238再发射负β粒子、产生自发衰变，形成钚-238。

衰变热与裂变性质钚同位素会发生放射性衰变，释放出衰变热。不同的同位素，单位质量所释出的热量也有所差异。衰变热的单位通常以“瓦特/公斤”或“毫瓦特/公克”计。所有同位素在衰变时都会释放出微弱的伽马射线。

混合物与化学性质室温时，纯钚金属是银灰色、但因氧化而锈蚀[7]。钚在水溶液中形成四种离子氧化态：

Pu(III) — Pu3+（蓝紫色）

Pu(IV) — Pu4+（黄棕色）

Pu(V) — PuO2+（粉红色）

Pu(VI) — PuO22+（粉桔色）

Pu(VII) — PuO53−（绿色）–七价离子较稀有

钚溶液所呈现的颜色决定于氧化态和酸阴离子的性质。钚的酸阴离子种类影响了错合（原子与中心原子结合）的程度。3

应用原子弹同位素钚-239是核武器中最重要的裂变成分。将钚核置入反射体（质量数大的物质的反射层）中，能使逃逸的中子再反射回弹心，减少中子的损失，进而降低钚达到临界质量的标准量：从原需16公斤的钚，可减少至10公斤，即一个直径约10公分的球体的量。它的临界质量约仅有铀-235的三分之一。

曼哈顿计划期间制造的“胖子原子弹”型钚弹，为了达到极高的密度而选择使用易爆炸、压缩的钚，再结合中心中子源，以刺激反应进行、提高反应效率。因此，钚弹只需6.2公斤钚便可达到爆炸当量，相当于2万吨的三硝基甲苯（TNT）（参见核武器设计）。在理想假设中，仅仅4公斤的钚原料（甚至更少），只要搭配复杂的装配设计，就可制造出一个原子弹。

核废料一般轻水反应堆所产生的核废料中含有钚，但为钚-242、钚-239和钚-238的混合物。它的浓度不足以制作成核武器，不过可以改用作一次性的混氧燃料（MOX fuel）。在反应堆中以慢速热中子放射线照射钚时，会偶然发生中子俘获，而增加钚-242和钚-240的量。因此反应进行到第二轮之后，钚只能和快中子反应堆反应、消耗。在反应器中没有快中子时（普遍情况下），剩余的钚通常会被遗弃，形成寿命长、处理棘手的核废料成分。

能源与热源同位素钚-238的半衰期为87.74年。它会放出大量热能，伴随着低能的伽马和自发裂变射线/粒子。它是α辐射体，同时具有高辐射能及低穿透性，故仅需低度防护措施。单一纸张就可以抵挡钚-238所放射出的α粒子；同时，每公斤的钚-238可产生约570瓦特热能。以上特性使钚-238适宜用于制作放射性同位素热电机。4