放射性元素—钚（bù）

    钚（bù）是一种放射性元素，是原子能工业的重要原料，可作为核燃料和核武器的裂变剂。投于长崎市和广岛市的原子弹，都使用了钚制作内核部分。其也是放射性同位素热电机的热量来源，常用于驱动太空船。钚是世界上第二毒的物质。 字串8

一、钚的简介
　　钚（英语：Plutonium ，台湾译作钸）原子序数为94，元素符号是Pu，是一种具放射性的超铀元素。它属于锕系金属，外表呈银白色，接触空气后容易锈蚀、氧化，在表面生成无光泽的二氧化钚。钚有六种同素异形体和四种氧化态，易和碳、卤素、氮、硅起化学反应。钚暴露在潮湿的空气中时会产生氧化物和氢化物，其体积最大可膨胀70%，屑状的钚能自燃。它也是一种放射性毒物，会于骨髓中富集。因此，操作、处理钚元素具有一定的危险性。

 　　钚的毒性并不像以前普遍流传的那样严重，决不是“地球上毒性第二的物质”，或其危害达到“微小粒致人死命”的程度。常见的氰化物、咖啡因、砷的毒性都要比钚强。钚的致死量大于5mg。 字串9

 　　钚的毒理作用主要在于其重金属性，侵入人体后会潜伏在人体肺部、骨骼等组织细胞中，破坏细胞基因从而导致癌症。 字串6

 　　钚是天然存在于自然界中的质量最重的元素。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。[1] 　　钚最重要的同位素是钚-239，半衰期为2.41万年，常被用制核子武器。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，释放出能量、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炉上。 字串4

    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。 字串8

 　　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。 字串6

 　　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。 字串2

   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“三一原子弹”，以及第二次、投于长崎市和广岛市的“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。
二、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）。[2][3]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）。[2]

　　钚最普遍释放的游离辐射类型是α粒子发射（即释放出高能的氦原子核）。[4]最典型的一种核子武器核心即是以5公斤（约12.5×10^24个）钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年，故其每秒约有11.5×10^12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。[5]

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 　　钚在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。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。

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 　　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。[6]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。[7] 字串3

　　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）。[6]

三、钚的发现
　　1934年，恩里科·费米和罗马大学的研究团队发布消息，表示他们发现了元素94。[18]费米将元素取名 “hesperium”，并曾在他1938年的诺贝尔奖演说中提及。[19]然而，他们的研究成果其实是钡、氪等许多其他元素的混合物，但由于当时核分裂尚未发明，这个误会便一直延续。[20] 　　1940年美国G.T.西博格、E.M.麦克米伦、J.W.肯尼迪和A.C.沃尔用152.4cm回旋加速器加速的16兆电子伏氘核轰击铀时发现钚-238。[21]第二年又发现钚的最重要的同位素钚-239。

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 　　1941年3月，科学家团队将报告寄给《物理评论》杂志[22]，但由于发现了新元素的同位素（钚-239）能产生核分裂、往后或许能用于制造原子弹，而在出版前遭到撤回。基于安全因素，报告延迟了一年、直到二次大战结束后才顺利登载。[23] 字串5

 　　1945年，西博格比较了镎和钚，认为它们与铀的性质相似，同时又与稀土元素中钐相似，在1945年发表了他编排的元素周期表，建立了与镧系元素相同的锕系元素，把它们一起放置在元素周期表的下方，成为今天形式的元素周期表，并留下94号元素以后一系列的空位留待发现。 　　    埃德温·麦克米伦近期将第一个发现的超铀元素以行星海王星（Neptune）命名，并提议以冥王星（Pluto）为系列的下一个元素、即元素94取名。[12]西博格原先属意取名“plutium”，但后来认为它的发音不如“plutonium”。[24]他在一次玩笑中选择“Pu”作为元素符号，却在没有被事先通知的情况下，意外被正式纳入元素周期表。西博格亦曾因为误信他们已经找到周期表中最后一个可能存在的元素，而考虑过“ultimium”或“extremium”等名称。[25]
四、钚的应用
1、炸弹

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    同位素钚-239是核武器中最重要的裂变成份。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厘米的球体的量。[26]它的临界质量约仅有铀-235的三分之一。[12] 　　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20公斤的三硝基甲苯（TNT）。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。[27]

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1945年投于日本长崎市的原子弹内含一个钚核
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2、核废料
　　一般轻水反应炉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）。在反应炉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。
3、能源与热源
　　同位素钚-238的半衰期为87.74年。[28]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。[29]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。[29][12]  字串4

五、钚化合物
1、卤化物
　　三氟化钚为蓝紫色固体，熔点为1425±3℃；在没有铝或锆离子存在时，很难溶于酸中。三氟化钚可由钚（IV）的硝酸盐、氧化物、氢氧化物等化合物与无水氟化氢在550~600℃反应制得，也可在含钚（III）的水溶液中加入氟离子沉淀而制得。三氟化钚是还原法制金属钚的原料。 字串7

四氟化钚为淡棕色（PuF4·2.5H2O为粉红色），熔点为1037℃，沸点约1277℃；微溶于水，只能溶于含有硼酸、铝（III）或铁（III）的溶液中。四氟化钚可由钚（IV）的氧化物、硝酸盐、草酸盐等化合物在有氧气存在的条件下与无水氟化氢进行高温反应而制得。四氟化钚也是还原法制金属钚的原料。

 　　六氟化钚在-180℃时是白色固体，液态和气态呈棕色到红棕色，熔点为51.59℃，沸点为62.16℃；六氟化钚在热力学上是不稳定的，它是一个很强的氧化剂；能与四氟化铀、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等反应生成四氟化钚，与潮湿空气或水发生非常激烈的反应；六氟化钚由于α辐解而不断生成四氟化钚。六氟化钚可由二氧化钚或四氟化钚在500~700℃高温下与氟气反应制得。钚（VI）的其他氟化物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O（M为NH4、Na、K等）。 字串4

 　　三氯化钚是蓝至绿色的固体，熔点为750℃，沸点为1767℃；易吸潮，易溶于酸和水。三氯化钚可由多种方法制备，通常由二氧化钚与光气在高温下反应而制得。在制备中，大多数其他元素生成挥发性的氯化物，而三氯化钚不挥发，因而钚的纯度较高。三氯化钚也是制备金属钚的一种化合物。 字串7

 　　四氯化钚是不稳定化合物，容易分解，不易制得。钚（IV）的其他氯化物有 M2PuCl6（M为Cs、Rb、K、Na等）。

 　　其他已经制得的化合物还有：三溴化钚，熔点约为681℃；三碘化钚，熔点约777℃。
2、氧化物
　　二氧化钚是绿棕色到黄棕色的固体，在氦气中的熔点为2280±30℃，蒸气压很低；它的化学惰性很大，在盐酸和硝酸中溶解极慢且不完全，在沸腾的氢溴酸中溶解较快，用硫酸氢钠等熔剂在熔融条件下可溶解二氧化钚；高温下二氧化钚可与氟化氢反应生成三氟化物，有氧气存在时生成四氟化物；高温下与氟作用生成六氟化钚，与锌镁合金反应还原生成金属钚。由于二氧化钚具有高熔点、辐照稳定、同金属互容以及容易制备等特性，是核燃料的一种适用的组成形式。二氧化钚可由金属钚或其化合物（磷酸盐除外）在空气中灼烧制得，也可由含氧化合物在真空或惰性气氛中加热到1000℃而制得。 字串4

    β-三氧化二钚的熔点为2085±25℃；可由二氧化钚与碳在氦中加热到1625℃制得。

    α-三氧化二钚可由在真空中加热二氧化钚到1650～1800℃ 而制得。α-三氧化二钚由二氧化钚熔化时损失氧而制得，其熔点为2360±20℃。
3、碳化物
　　已知有二碳化三钚、碳化钚、三碳化二钚和二碳化钚。室温下碳化钚在空气中稳定，但在400℃时则剧烈燃烧；不与冷水作用，但与热水反应生成三价氢氧化物、氢和甲烷的混合物，以及少量的其他碳氢化合物；碳化钚与冷硝酸作用很慢。三碳化二钚的化学性质与碳化钚略有不同，三碳化二钚在高温下的氧化作用及在酸和沸水中的水解作用都比碳化钚弱。钚的碳化物可由金属钚、二氧化钚或氢化钚在高温下与石墨反应而制得。反应条件不同，可以制得不同组分的钚的碳化物。钚的碳化物由于具有较高的导热性、低的蒸气压和较大的钚密度，可以做核反应堆的燃料。 字串7

4、氮化物
　　已知钚的唯一氮化物为氮化钚。氮化钚在氩气氛中熔点为2450±50℃；遇冷水缓慢水解并生成二氧化钚，氮化钚易溶于无机酸中；与氮化铀能形成一系列固溶体。氮化钚具备核燃料的某些特性，如熔点高、钚密度高和好的导热性，但它的主要缺点是在高温下挥发性较高和易分解。氮化钚可由氢化钚与氮在高于 230℃时反应而制得。
5、草酸盐
　　钚（III）的草酸盐Pu2(C2O4)3·10H2O和钚（IV）的Pu(C2O4)2·6H2O都是难溶性化合物，随着加热，它们逐渐失去其结晶水，随后分解，最终产物为二氧化钚。钚的草酸盐可由钚的相应氧化态的盐的稀酸溶液与草酸或草酸钠沉淀而制得。

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