البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع بلوتونيوم بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق مقياس
Radius 155 pm — that is 0.155 nm, so about 3226 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
بلوتونيوم is liquid over a 2592 K window, from 913 K to 3505 K.
القصة
The element that made the atomic age possible and powers spacecraft beyond the Sun's reach.
Glenn T. Seaborg وEdwin McMillan وJoseph W. Kennedy وArthur Wahl في جامعة California, Berkeley، اكتشفوا البلوتونيوم في أواخر 1940 وأوائل 1941. وكان هذا الاكتشاف سيغيّر حرفياً مسار تاريخ العالم وينهي الحرب العالمية الثانية.
قذف الديوترونات: في 14 ديسمبر 1940، قذف الفريق اليورانيوم-238 بالديوترونات (نوى الهيدروجين الثقيل) في السيكلوترون ذي الـ60 بوصة في Berkeley. وأنشؤوا النبتونيوم-238، الذي اضمحل لاحقاً إلى عنصر مجهول عدده الذري 94.
العزل الكيميائي: نجحت الأعمال الكيميائية البارعة لـSeaborg في أوائل 1941 في عزل العنصر 94 وتحديد هويته. واكتشفوا أنه انشطاري مثل اليورانيوم-235، لكن يمكن فصله كيميائياً عن اليورانيوم بسهولة أكبر بكثير، وهي ميزة حاسمة لإنتاج الأسلحة.
السرية في زمن الحرب: صُنّف الاكتشاف فوراً سراً من أعلى درجة. وأدرك مشروع Manhattan أن البلوتونيوم يوفر مساراً أسهل محتملاً إلى الأسلحة النووية من تخصيب اليورانيوم-235، مما أدى إلى بناء مفاعلات إنتاج ضخمة في Hanford, Washington.
اختبار Trinity: استخدم أول اختبار لسلاح نووي في العالم، في 16 يوليو 1945 في New Mexico، جهازاً انفجارياً داخلياً يعمل بالبلوتونيوم. وبعد ثلاثة أسابيع، أُلقيت قنبلة بلوتونيوم مماثلة على Nagasaki, Japan، منهية الحرب العالمية الثانية.
السمة الكوكبية: اتباعاً لنمط النبتونيوم (Neptune)، سمّى المكتشفون العنصر 94 «بلوتونيوم» نسبةً إلى الكوكب القزم Pluto. وبدا الاسم مناسباً بصفة خاصة نظراً إلى ارتباط Pluto بالعالم السفلي، مما يعكس الإمكانات التدميرية للبلوتونيوم.
الإنجاز العلمي: فاز Glenn Seaborg بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1951 لاكتشافه البلوتونيوم وعناصر أخرى ما بعد اليورانيوم. وأرسى عمله سلسلة الأكتينيدات وأحدث ثورة في فهمنا لكيمياء العناصر الثقيلة.
بداية العصر الذري: مثّل اكتشاف البلوتونيوم البداية الحقيقية للعصر الذري. فقد أتاح كلاً من الأسلحة النووية والطاقة النووية، مغيراً بصورة أساسية العلاقات الدولية والاستراتيجية العسكرية وإنتاج الطاقة لجميع الأجيال اللاحقة.
الاستخدامات
وقود المفاعلات النووية: يُعد البلوتونيوم-239 أحد أهم المواد الانشطارية لتوليد الطاقة النووية. ويوفر وقود الأكسيد المختلط (MOX) المحتوي على البلوتونيوم طريقة مستدامة لإعادة تدوير النفايات النووية مع توليد كهرباء نظيفة لملايين المنازل حول العالم.
المفاعلات السريعة المولدة: تستخدم تصاميم المفاعلات المتقدمة البلوتونيوم بوصفه وقوداً ومادة مولدة في آن واحد، مما قد يوفر قروناً من الطاقة النووية النظيفة مع استهلاك النفايات النووية الموجودة. وتُشغّل دول مثل روسيا والصين والهند مفاعلات سريعة ناجحة تعمل بالبلوتونيوم.
المولدات الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs): يزوّد البلوتونيوم-238 بعضاً من أعظم إنجازات البشرية في الفضاء بالطاقة، ومنها مسبارا Voyager (الموجودان الآن في الفضاء بين النجمي)، ومركبتا Curiosity وPerseverance الجوالتان على المريخ، ومهمة New Horizons إلى Pluto. وتوفر هذه المولدات طاقة موثوقة لعقود في بيئة الفضاء القاسية.
مهمات الفضاء العميق: يجعل عمر النصف الطويل للبلوتونيوم وكثافته العالية للطاقة منه مادة لا غنى عنها للمهمات التي تتجاوز المريخ، حيث تصبح الألواح الشمسية غير فعالة. وتعتمد المهمات المستقبلية إلى الكواكب الخارجية والفضاء بين النجمي على مصادر طاقة تعمل بالبلوتونيوم.
منظمات ضربات القلب: شغّل البلوتونيوم-238 منظمات ضربات القلب المبكرة، موفراً طاقة موثوقة للمرضى لأكثر من 20 عاماً. وعلى الرغم من أن تقنيات البطاريات الأحدث استبدلتها إلى حد كبير، فإن بعض الغرسات الطبية طويلة العمر لا تزال تستخدم مصادر طاقة بالبلوتونيوم.
البحوث الطبية: تُستخدم كميات مضبوطة من نظائر البلوتونيوم في البحوث الطبية المتقدمة لفهم تأثيرات الإشعاع وتطوير علاجات جديدة للسرطان، إلا أن ذلك يتطلب أعلى بروتوكولات السلامة.
البحوث الأساسية: تجعل الخصائص النووية الفريدة للبلوتونيوم منه ضرورياً لدراسة الانشطار النووي وتفاعلات الاندماج وسلوك النوى الثقيلة. وتُسهم هذه البحوث في تعزيز فهمنا للتخليق النووي النجمي وأصول العناصر الثقيلة في الكون.
مصادر النيوترونات: تُستخدم مصادر النيوترونات من البلوتونيوم والبيريليوم في مفاعلات البحوث، وتحليل التنشيط النيوتروني، وتسجيل الآبار في صناعة النفط لتحديد الموارد الجوفية.
إعادة تدوير الوقود النووي: في دول ذات برامج نووية متقدمة مثل فرنسا واليابان، يُعاد تدوير البلوتونيوم المستخلص من الوقود النووي المستهلك وتحويله إلى وقود MOX (الأكسيد المختلط) جديد، مما يقلل النفايات النووية ويمدّد موارد اليورانيوم.
معايير مختبرات البحوث: تعمل كميات ضئيلة من نظائر البلوتونيوم معاييرَ مرجعية في المختبرات النووية لمعايرة معدات الكشف ودراسة كيمياء الأكتينيدات.
مهمات NASA: يُعد البلوتونيوم-238 مصدر الطاقة العملي الوحيد لمهمات الفضاء العميق. وتوفر الكمية المحدودة لدى NASA الطاقة لمهمات حاسمة مثل المركبات الجوالة على المريخ ومستكشفي الكواكب الخارجية، مما يجعله أثمن من الذهب لاستكشاف الفضاء.
الكيمياء النووية: تستخدم مرافق البحوث البلوتونيوم لدراسة كيمياء العناصر ما بعد اليورانيوم، وعمليات الاضمحلال النووي، والخصائص الأساسية للنوى الثقيلة.
تحليل التنشيط النيوتروني: تساعد مصادر النيوترونات من البلوتونيوم والبيريليوم في تحليل تركيب المواد في الجيولوجيا وعلم الآثار وعلوم المواد.
ملاحظة مهمة: تخضع جميع استخدامات البلوتونيوم لتنظيم صارم من السلطات النووية الدولية. ولا توجد استخدامات استهلاكية له بسبب نشاطه الإشعاعي الشديد وإمكاناته التسليحية.
مصدره
0 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 0% of elements
تكوّن طبيعي ضئيل: رغم أن البلوتونيوم اصطناعي أساساً، فقد اكتُشفت كميات ضئيلة للغاية (مقاسة بأجزاء من تريليون) في رواسب خام اليورانيوم مثل تلك الموجودة في الغابون بأفريقيا. وتتكوّن هذه الآثار من خلال تفاعلات نووية طبيعية نادرة للغاية عندما يلتقط اليورانيوم نيوترونات من الأشعة الكونية أو من الانشطار التلقائي.
تحوّل اليورانيوم: يُنتج كل البلوتونيوم تقريباً اصطناعياً في المفاعلات النووية عندما يمتص اليورانيوم-238 النيوترونات ويخضع لاضمحلال بيتا. وتحدث هذه العملية طبيعياً في أي مفاعل يعمل بوقود اليورانيوم، مما يجعل البلوتونيوم ناتجاً ثانوياً لتوليد الطاقة النووية.
الإنتاج المنضبط: يمكن تحسين مفاعلات إنتاج متخصصة لزيادة إنتاج البلوتونيوم إلى أقصى حد من خلال التحكم الدقيق في تدفق النيوترونات ومدة تعرّض الوقود. وتعتمد جودة البلوتونيوم وتركيبه النظائري بدرجة كبيرة على معايير الإنتاج هذه.
المخزونات العالمية: يوجد نحو 500 طن متري من البلوتونيوم حول العالم، معظمها نواتج ثانوية لتوليد الطاقة النووية. ويمثل ذلك إحدى أكثر المواد خضوعاً للمراقبة والتأمين على الأرض.
بلوتونيوم الأسلحة مقابل بلوتونيوم المفاعلات: تختلف جودة البلوتونيوم اختلافاً كبيراً؛ فبلوتونيوم الأسلحة (>93% Pu-239) يتطلب تقنيات إنتاج خاصة، بينما يحتوي بلوتونيوم المفاعلات على نظائر متعددة، وهو أقل ملاءمة للأسلحة لكنه ممتاز لتوليد الطاقة.
إنتاج وقود MOX: تعيد دول مثل فرنسا معالجة الوقود النووي المستهلك لاستخراج البلوتونيوم وإعادة تدويره في وقود جديد، مما ينشئ دورة وقود نووي مغلقة تقلل النفايات وتمدّد موارد اليورانيوم.
التعامل
بلوتونيوم مشع. It has no stable isotope — every nucleus decays. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.
نشاط إشعاعي قاتل: يُعد البلوتونيوم أحد أكثر المواد سمية المعروفة للبشرية. ويمكن لجسيم مجهري من البلوتونيوم-239 يُستنشق إلى الرئتين أن يسبب سرطان الرئة بعد عقود. وحتى كميات النانوغرام تشكل مخاطر صحية خطيرة.
إشعاع ألفا: يُصدر البلوتونيوم جسيمات ألفا التي لا تستطيع اختراق الجلد، لكنها تسبب أضراراً مدمرة إذا استُنشق غبار البلوتونيوم أو ابتُلع. وتدمر جسيمات ألفا الحمض النووي الخلوي وتسبب السرطان والطفرات الجينية والمرض الإشعاعي.
التعرض الطويل الأمد: يبلغ عمر النصف للبلوتونيوم-239 24,100 سنة، ما يعني أنه يظل خطراً لمئات آلاف السنين. وبمجرد دخوله الجسم، يتركز في العظام والأعضاء، مسبباً تعرضاً إشعاعياً مدى الحياة.
الأمن النووي: يخضع كل البلوتونيوم لأعلى بروتوكولات الأمن الدولية بسبب إمكاناته التسليحية. ويتطلب نقله وتخزينه والتعامل معه مستويات متعددة من التفويض وأمناً مسلحاً.
أنظمة الاحتواء: يتطلب العمل بالبلوتونيوم صناديق قفازات متخصصة، واحتواءً بضغط سلبي، ومراقبة مستمرة للهواء، وفرق استجابة للطوارئ. وحتى كميات البحوث تتطلب تدابير سلامة استثنائية.
بروتوكول التلوث: يتطلب أي تعرض مشتبه به للبلوتونيوم عناية طبية فورية من اختصاصيين مدربين على طب الإشعاع. وتُعد إجراءات إزالة التلوث معقدة وحساسة للوقت.
السلامة العامة: يُمنع تعرض المدنيين للبلوتونيوم من خلال حواجز تنظيمية متعددة، ومعاهدات دولية، وتدابير أمن مادية تجعله إحدى أكثر المواد خضوعاً للرقابة على الأرض.
إجابات سريعة
بلوتونيوم (symbol Pu) is element 94 on the periodic table, a أكتينيد in period 7. The element that made the atomic age possible and powers spacecraft beyond the Sun's reach. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f⁶ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 electrons respectively.بلوتونيوم melts at 913 K (639.9 °C) and boils at 3505 K (3231.9 °C).
بلوتونيوم has no stable isotope, so it has no standard atomic weight. The figure quoted, 244, is the mass number of its longest-lived known isotope.
بلوتونيوم has a density of 19.85 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of بلوتونيوم is about 19.9× heavier.
بلوتونيوم has a Pauling electronegativity of 1.28. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
بلوتونيوم was discovered in 1940 by Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. It is named after pluto, next out from Neptune.
بلوتونيوم does not occur naturally on Earth in any meaningful quantity — it is made in a reactor or an accelerator.
Yes. بلوتونيوم has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.