94 Pu بلوتونيوم 244*
أكتينيد المستوى الفرعي f الدورة 7 مشعة

بلوتونيوم

Pu · العنصر 94 · أكتينيد

العنصر الذي جعل العصر الذري ممكنًا، ويشغّل المركبات الفضائية التي تتجاوز نطاق الشمس.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 244 u
التوزيع الإلكتروني[Rn] 5f⁶ 7s²
93Np كل العناصر الـ118 95Am

البنية

ذرة بلوتونيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع بلوتونيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 19.85 g/cm³ 88%
نقطة الانصهار 913 K 38%
نقطة الغليان 3505 K 73%
الحرارة النوعية 0.13 J/g·K
الموصلية الحرارية 6.74 W/m·K 20%

الذرية

نصف القطر الذري 159 pm 50%
نصف القطر التساهمي 187 pm
نصف قطر فان دير فالس 243 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.28 28%
طاقة التأين 581.8 kJ/mol 26%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

الوفرة في القشرة 0 mg/kg 0%

الهوية

الرمزPu
العدد الذري94
الكتلة الذرية244 u
الفئةأكتينيد
المستوى الفرعيf
البنية البلوريةأحادي الميل
حالات الأكسدة+3, +4, +5, +6, +7
سنة الاكتشاف1940
اكتشفهSeaborg, McMillan, Kennedy & Wahl

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة بلوتونيوم؟

نصف القطر 159 pm — أي 0.159 nm، ولذلك فإن نحو 3.14 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون بلوتونيوم سائلًا ضمن مجال 2592 K، من 913 K إلى 3505 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع بلوتونيوم في سلسلة أكتينيد، المطبوعة أسفل الشبكة الرئيسية.

عناصر الأكتينيدات الأخرى

89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr
جميع عناصر الأكتينيدات

القصة

ماهيّة بلوتونيوم وكيف اكتشفناه

العنصر الذي جعل العصر الذري ممكنًا، ويشغّل المركبات الفضائية التي تتجاوز نطاق الشمس.

اكتشاف بلوتونيوم

اكتشاف غيّر العالم - 1940-1941

Glenn T. Seaborg وEdwin McMillan وJoseph W. Kennedy وArthur Wahl في جامعة كاليفورنيا، Berkeley، اكتشفوا البلوتونيوم في أواخر 1940 وأوائل 1941. وكان هذا الاكتشاف سيغيّر مسار تاريخ العالم حرفياً وينهي الحرب العالمية الثانية.

التجربة الثورية

قذف الديوترونات: في 14 ديسمبر 1940، قذف الفريق اليورانيوم-238 بالديوترونات، وهي نوى الهيدروجين الثقيل، في السيكلوترون ذي 60 بوصة في Berkeley. وأنشؤوا نبتونيوم-238، الذي اضمحل لاحقاً إلى عنصر مجهول عدده الذري 94.

العزل الكيميائي: نجحت أعمال Seaborg الكيميائية البارعة في أوائل 1941 في عزل العنصر 94 والتعرف عليه. واكتشفوا أنه انشطاري مثل اليورانيوم-235، لكن يمكن فصله كيميائياً عن اليورانيوم بسهولة أكبر بكثير، وهي ميزة حاسمة لإنتاج الأسلحة.

تأثير مشروع Manhattan

السرية في زمن الحرب: صُنّف الاكتشاف فوراً على أنه سري للغاية. وأدرك مشروع Manhattan أن البلوتونيوم يوفر مساراً قد يكون أسهل لصناعة الأسلحة النووية من تخصيب اليورانيوم-235، ما أدى إلى بناء مفاعلات إنتاج ضخمة في Hanford بولاية Washington.

تجربة 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 في اليابان، منهية الحرب العالمية الثانية.

التسمية نسبة إلى Pluto

الموضوع الكوكبي: اتباعاً لنمط نبتونيوم (Neptune)، سمّى المكتشفون العنصر 94 "بلوتونيوم" نسبة إلى الكوكب القزم Pluto. وبدا الاسم مناسباً بصفة خاصة نظراً إلى ارتباط Pluto بالعالم السفلي، بما يعكس الإمكانات التدميرية للبلوتونيوم.

تقدير بجائزة نوبل

إنجاز علمي: فاز Glenn Seaborg بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1951 لاكتشافه البلوتونيوم وعناصر أخرى عبر اليورانيوم. وأرسى عمله سلسلة الأكتينيد وأحدث ثورة في فهمنا لكيمياء العناصر الثقيلة.

الأهمية التاريخية

بداية العصر الذري: مثّل اكتشاف البلوتونيوم البداية الحقيقية للعصر الذري. فقد أتاح كلاً من الأسلحة النووية والطاقة النووية، مغيراً بصورة جوهرية العلاقات الدولية والاستراتيجية العسكرية وإنتاج الطاقة لجميع الأجيال اللاحقة.

الاستخدامات

استخدامات بلوتونيوم

توليد الطاقة النووية

وقود المفاعلات النووية: يُعد بلوتونيوم-239 أحد أهم المواد الانشطارية المستخدمة في توليد الطاقة النووية. ويوفر وقود الأكسيد المختلط (MOX) الذي يحتوي على البلوتونيوم وسيلة مستدامة لإعادة تدوير النفايات النووية مع توليد كهرباء نظيفة لملايين المنازل حول العالم.

مفاعلات التوليد السريع: تستخدم تصاميم المفاعلات المتقدمة البلوتونيوم بوصفه وقوداً ومادة مولدة في الوقت نفسه، ما قد يوفر قروناً من الطاقة النووية النظيفة مع استهلاك النفايات النووية الموجودة. وتشغّل دول مثل روسيا والصين والهند مفاعلات سريعة ناجحة تعمل بالبلوتونيوم.

طاقة استكشاف الفضاء

مولدات النظائر المشعة الحرارية الكهربائية (RTGs): يمد بلوتونيوم-238 بعض أعظم إنجازات البشرية في الفضاء بالطاقة، ومنها مجسات Voyager الموجودة الآن في الفضاء بين النجمي، ومركبتا Curiosity وPerseverance الجوالتان على المريخ، ومهمة New Horizons إلى بلوتو. وتوفر هذه المولدات طاقة موثوقة لعقود في بيئة الفضاء القاسية.

مهام الفضاء العميق: يجعل عمر النصف الطويل للبلوتونيوم وكثافته العالية من الطاقة من الصعب استبداله في المهام الواقعة بعد المريخ، حيث تصبح الألواح الشمسية غير فعالة. وتعتمد المهام المستقبلية إلى الكواكب الخارجية والفضاء بين النجمي على مصادر طاقة تعمل بالبلوتونيوم.

التطبيقات الطبية

منظمات ضربات القلب: شغّل بلوتونيوم-238 منظمات ضربات القلب المبكرة، موفراً طاقة موثوقة للمرضى لأكثر من 20 عاماً. وعلى الرغم من أن تقنيات البطاريات الأحدث استبدلتها إلى حد كبير، لا تزال بعض الغرسات الطبية طويلة العمر تستخدم مصادر طاقة تعمل بالبلوتونيوم.

البحث الطبي: تُستخدم كميات مضبوطة من نظائر البلوتونيوم في البحوث الطبية المتقدمة لفهم تأثيرات الإشعاع وتطوير علاجات جديدة للسرطان، إلا أن ذلك يتطلب أعلى بروتوكولات السلامة.

أبحاث الفيزياء النووية

البحث الأساسي: تجعل الخصائص النووية الفريدة للبلوتونيوم منه ضرورياً لدراسة الانشطار النووي وتفاعلات الاندماج وسلوك النوى الثقيلة. وتطوّر هذه الأبحاث فهمنا للتخليق النووي النجمي وأصول العناصر الثقيلة في الكون.

مصادر النيوترونات: تُستخدم مصادر نيوترونات البلوتونيوم-البيريليوم في المفاعلات البحثية وتحليل التنشيط النيوتروني وتسجيل الآبار في صناعة النفط لتحديد الموارد الموجودة تحت الأرض.

تطبيقات شديدة التقييد

إعادة تدوير الوقود النووي: في دول ذات برامج نووية متقدمة مثل فرنسا واليابان، يُعاد تدوير البلوتونيوم المستخرج من الوقود النووي المستهلك وتحويله إلى وقود MOX (الأكسيد المختلط) جديد، ما يقلل النفايات النووية ويمدّد موارد اليورانيوم.

معايير المختبرات البحثية: تُستخدم كميات ضئيلة من نظائر البلوتونيوم كمعايير مرجعية في المختبرات النووية لمعايرة معدات الكشف ودراسة كيمياء الأكتينيد.

تكنولوجيا الفضاء

مهام NASA: يُعد بلوتونيوم-238 مصدر الطاقة العملي الوحيد لمهام الفضاء العميق. وتوفر الكمية المحدودة لدى NASA الطاقة لمهام حيوية مثل المركبات الجوالة على المريخ ومستكشفي الكواكب الخارجية، ما يجعله أثمن من الذهب في استكشاف الفضاء.

البحث العلمي

الكيمياء النووية: تستخدم مرافق البحث البلوتونيوم لدراسة كيمياء العناصر عبر اليورانيوم وعمليات الاضمحلال النووي والخصائص الأساسية للنوى الثقيلة.

تحليل التنشيط النيوتروني: تساعد مصادر نيوترونات البلوتونيوم-البيريليوم على 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 في صناعة الأسلحة.

مصدره

الوجود الطبيعي

0 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 0% من العناصر

لا وجود طبيعي فعلياً

تكوّن طبيعي ضئيل: على الرغم من أن البلوتونيوم اصطناعي أساساً، فقد كُشفت كميات ضئيلة للغاية منه، تُقاس بأجزاء من التريليون، في رواسب خام اليورانيوم مثل تلك الموجودة في الغابون بإفريقيا. وتتكوّن هذه الآثار من خلال تفاعلات نووية طبيعية نادرة للغاية عندما يلتقط اليورانيوم نيوترونات من الأشعة الكونية أو من الانشطار التلقائي.

إنتاج المفاعلات النووية

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، ما يجعل البلوتونيوم ناتجاً ثانوياً لتوليد الطاقة النووية.

الإنتاج المضبوط: 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 معاملات الإنتاج هذه.

المخزون العالمي

المخزونات العالمية: يوجد نحو 500 طن متري من البلوتونيوم حول العالم، معظمها نواتج ثانوية لتوليد الطاقة النووية. ويمثل ذلك إحدى أكثر المواد على الأرض خضوعاً للمراقبة والتأمين.

البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة مقابل المستخدم في المفاعلات: تختلف جودة البلوتونيوم اختلافاً كبيراً؛ فالبلوتونيوم المستخدم في الأسلحة (>93% Pu-239) يتطلب تقنيات إنتاج خاصة، بينما يحتوي البلوتونيوم المستخدم في المفاعلات على نظائر متعددة ويكون أقل ملاءمة للأسلحة لكنه ممتاز لتوليد الطاقة.

إعادة التدوير وإعادة المعالجة

إنتاج وقود MOX: تعيد دول مثل فرنسا معالجة الوقود النووي المستهلك لاستخراج البلوتونيوم وإعادة تدويره في وقود جديد، ما ينشئ دورة وقود نووي مغلقة تقلل النفايات وتمدّد موارد اليورانيوم.

التعامل

السلامة

بلوتونيوم مشع. لا يملك نظيرًا مستقرًا — تتحلل كل نواة. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.

مادة شديدة الخطورة

نشاط إشعاعي قاتل: يُعد البلوتونيوم أحد أكثر المواد سمية المعروفة للبشر. ويمكن لجسيم مجهري من بلوتونيوم-239 يُستنشق إلى الرئتين أن يسبب سرطان الرئة بعد عقود. وحتى كميات النانوغرام تشكل مخاطر صحية خطيرة.

مخاطر الاستنشاق

إشعاع ألفا: يطلق البلوتونيوم جسيمات ألفا التي لا تستطيع اختراق الجلد، لكنها تسبب أضراراً مدمرة إذا استُنشق غبار البلوتونيوم أو ابتُلع. وتدمّر جسيمات ألفا الحمض النووي الخلوي وتسبب السرطان والطفرات الجينية والمرض الإشعاعي.

التعرّض الطويل الأمد: يبلغ عمر النصف لبلوتونيوم-239 24,100 سنة، ما يعني أنه يظل خطيراً لمئات آلاف السنين. وبمجرد دخوله الجسم، يتركز في العظام والأعضاء، مسبباً تعرّضاً إشعاعياً مدى الحياة.

بروتوكولات الأمن

الأمن النووي: يخضع كل البلوتونيوم لأعلى بروتوكولات الأمن الدولية بسبب إمكاناته في صناعة الأسلحة. ويتطلب نقله وتخزينه والتعامل معه مستويات ترخيص متعددة وأمناً مسلحاً.

أنظمة الاحتواء: يتطلب العمل بالبلوتونيوم صناديق قفازات متخصصة واحتواءً بضغط سلبي ومراقبة مستمرة للهواء وفرقاً للاستجابة للطوارئ. وحتى كميات البحث تتطلب تدابير سلامة استثنائية.

الاستجابة للطوارئ

بروتوكول التلوث: يتطلب أي تعرّض مشتبه به للبلوتونيوم عناية طبية فورية من مختصين مدرّبين على طب الإشعاع. وتكون إجراءات إزالة التلوث معقدة وحساسة للوقت.

السلامة العامة: يُمنع تعرّض المدنيين للبلوتونيوم من خلال حواجز تنظيمية متعددة ومعاهدات دولية وتدابير أمن مادية تجعله إحدى أكثر المواد خضوعاً للسيطرة على الأرض.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن بلوتونيوم

ما هو بلوتونيوم؟

بلوتونيوم (رمزه Pu) هو العنصر 94 في الجدول الدوري، وينتمي إلى أكتينيد في الدورة 7. العنصر الذي جعل العصر الذري ممكنًا، ويشغّل المركبات الفضائية التي تتجاوز نطاق الشمس. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.

ما التوزيع الإلكتروني لـ بلوتونيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـبلوتونيوم هو [Rn] 5f⁶ 7s²، ويشغل 7 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2.

ما نقطتا انصهار وغليان بلوتونيوم؟

ينصهر بلوتونيوم عند 913 K (639.9 °C) ويغلي عند 3505 K (3231.9 °C).

ما الكتلة الذرية لـ بلوتونيوم؟

لا يملك بلوتونيوم أي نظير مستقر، ولذلك لا يملك وزناً ذرياً معيارياً. والرقم المذكور، 244، هو العدد الكتلي لأطول نظائره المعروفة عمراً.

ما كثافة بلوتونيوم؟

تبلغ كثافة بلوتونيوم مقدار 19.85 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من بلوتونيوم أثقل بنحو 19.9×.

ما الكهروسلبية لـ بلوتونيوم؟

تبلغ كهروسلبية بلوتونيوم وفق مقياس باولنغ 1.28. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف بلوتونيوم ومتى؟

اكتُشف بلوتونيوم في 1940 على يد Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. سُمّي على اسم بلوتو، التالي خارج مدار نبتون.

ما مدى وفرة بلوتونيوم على الأرض؟

لا يوجد بلوتونيوم طبيعيًا على الأرض بأي كمية تُذكر — بل يُنتج في مفاعل أو مُسرّع.

هل بلوتونيوم مشع؟

نعم. لا يوجد لـ بلوتونيوم أي نظير مستقر — إذ تتحلل كل نواته. توجد كميات ضئيلة منه طبيعيًا بوصفها نواتج اضمحلال العناصر الأثقل.

→ السابق Np نبتونيوم العنصر 93 · أكتينيد التالي ← Am أمريكيوم العنصر 95 · أكتينيد