Pu · Element 94 · Actinoid
Das Element, das das Atomzeitalter möglich machte und Raumfahrzeuge jenseits der Reichweite der Sonne antreibt.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Plutonium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Gleiches Element, andere Neutronenzahl
Alle Plutonium-Atome haben dieselbe Zahl von Protonen, 94, und unterscheiden sich nur in der Zahl der Neutronen: Diese Varianten sind die Isotope des Elements. Keines davon ist stabil. Das langlebigste bekannte Isotop, Pu-244, hat 150 Neutronen und eine Halbwertszeit von 8,13 × 10⁷ J.
| ISOTOP | Neutronen | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit | Zerfallsart |
|---|---|---|---|---|
| Pu-238 | 144 | — | 87,7 J | α |
| Pu-239 | 145 | — | 24110 J | α |
| Pu-240 | 146 | — | 6561 J | α |
| Pu-241 | 147 | — | 14,329 J | β⁻ |
| Pu-242 | 148 | — | 3,73 × 10⁵ J | α |
| Pu-244 langlebigstes | 150 | — | 8,13 × 10⁷ J | α |
Hier liefert die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse (244) minus Ordnungszahl, dasselbe Ergebnis: 150.
Zerfallsarten
Daten: IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides, Bewertungen der Grundzustände, abgerufen am 10. Oktober 2026. Die Häufigkeit ist der Anteil der Atome im natürlichen Element; ein Strich bedeutet, dass das Isotop keine natürliche Standardhäufigkeit hat.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 159 pm — das entspricht 0,159 nm; etwa 3,14 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Plutonium ist über einen Bereich von 2592 K flüssig, von 913 K bis 3505 K.
Die Geschichte
Das Element, das das Atomzeitalter möglich machte und Raumfahrzeuge jenseits der Reichweite der Sonne antreibt.
Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy und Arthur Wahl entdeckten Ende 1940 und Anfang 1941 an der University of California, Berkeley, Plutonium. Diese Entdeckung sollte den Lauf der Weltgeschichte buchstäblich verändern und den Zweiten Weltkrieg beenden.
Deuteronenbeschuss: Am 14. Dezember 1940 beschoss das Team Uran-238 im 60-Zoll-Zyklotron von Berkeley mit Deuteronen (schweren Wasserstoffkernen). Sie erzeugten Neptunium-238, das anschließend in ein unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 94 zerfiel.
Chemische Isolierung: Seaborgs herausragende chemische Arbeit isolierte und identifizierte Anfang 1941 erfolgreich Element 94. Sie entdeckten, dass es wie Uran-235 spaltbar war, sich aber viel leichter chemisch von Uran trennen ließ – ein entscheidender Vorteil für die Waffenproduktion.
Geheimhaltung während des Krieges: Die Entdeckung wurde sofort als streng geheim eingestuft. Das Manhattan-Projekt erkannte, dass Plutonium möglicherweise einen leichteren Weg zu Kernwaffen bot als die Anreicherung von Uran-235, und errichtete daraufhin umfangreiche Produktionsreaktoren in Hanford, Washington.
Trinity-Test: Beim weltweit ersten Test einer Kernwaffe am 16. Juli 1945 in New Mexico wurde eine Plutonium-Implosionsvorrichtung eingesetzt. Drei Wochen später wurde eine ähnliche Plutoniumbombe auf Nagasaki, Japan, abgeworfen und beendete den Zweiten Weltkrieg.
Planetarisches Thema: Nach dem Vorbild von Neptunium (Neptun) benannten die Entdecker Element 94 nach dem Zwergplaneten Pluto „Plutonium“. Der Name erschien besonders passend angesichts der Verbindung Plutos mit der Unterwelt und spiegelte das zerstörerische Potenzial von Plutonium wider.
Wissenschaftliche Leistung: Glenn Seaborg erhielt 1951 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung von Plutonium und anderen transuranen Elementen. Seine Arbeit begründete die Actinoidreihe und veränderte unser Verständnis der Chemie schwerer Elemente grundlegend.
Beginn des Atomzeitalters: Die Entdeckung von Plutonium markierte den tatsächlichen Beginn des Atomzeitalters. Sie ermöglichte sowohl Kernwaffen als auch Kernenergie und veränderte die internationalen Beziehungen, die Militärstrategie und die Energieerzeugung für alle künftigen Generationen grundlegend.
Anwendungen
Kernreaktorbrennstoff: Plutonium-239 ist eines der wichtigsten spaltbaren Materialien für die Nuklearstromerzeugung. Mischoxidbrennstoff (MOX), der Plutonium enthält, bietet eine nachhaltige Möglichkeit, nukleare Abfälle zu recyceln und gleichzeitig sauberen Strom für Millionen von Haushalten weltweit zu erzeugen.
Schnelle Brutreaktoren: Fortschrittliche Reaktorkonzepte verwenden Plutonium sowohl als Brennstoff als auch als Brutmaterial und könnten dadurch jahrhundertelang saubere Kernenergie liefern, während vorhandene nukleare Abfälle verbraucht werden. Länder wie Russland, China und Indien betreiben erfolgreiche schnelle Reaktoren mit Plutoniumbrennstoff.
Radioisotopenthermoelektrische Generatoren (RTGs): Plutonium-238 versorgt einige der größten Errungenschaften der Menschheit in der Raumfahrt mit Energie, darunter die Voyager-Sonden (heute im interstellaren Raum), die Marsrover Curiosity und Perseverance sowie die New-Horizons-Mission zum Pluto. Diese RTGs liefern über Jahrzehnte hinweg zuverlässige Energie in der rauen Umgebung des Weltraums.
Tiefraummissionen: Die lange Halbwertszeit und die hohe Energiedichte von Plutonium machen es zur bevorzugten Energiequelle für Missionen weit jenseits des Mars, auch wenn Juno und Europa Clipper zeigen, dass große Solarflächen bei Jupiter funktionieren. Künftige Missionen zu den äußeren Planeten und in den interstellaren Raum hängen von Plutoniumenergiequellen ab.
Herzschrittmacher: Mit Plutonium-238 betriebene frühe Herzschrittmacher versorgten Patienten über mehr als 20 Jahre zuverlässig mit Energie. Obwohl sie weitgehend durch neuere Batterietechnologien ersetzt wurden, verwenden einige langlebige medizinische Implantate weiterhin Plutoniumenergiequellen.
Medizinische Forschung: Kontrollierte Mengen von Plutoniumisotopen werden in der fortgeschrittenen medizinischen Forschung eingesetzt, um Strahlungseffekte zu verstehen und neue Krebsbehandlungen zu entwickeln, wobei dafür die strengsten Sicherheitsprotokolle erforderlich sind.
Grundlagenforschung: Die einzigartigen nuklearen Eigenschaften von Plutonium machen es unverzichtbar für die Untersuchung der Kernspaltung, von Fusionsreaktionen und des Verhaltens schwerer Atomkerne. Diese Forschung erweitert unser Verständnis der stellaren Nukleosynthese und der Ursprünge schwerer Elemente im Universum.
Neutronenquellen: Plutonium-Beryllium-Neutronenquellen werden in Forschungsreaktoren, bei der Neutronenaktivierungsanalyse und bei Bohrlochmessungen in der Erdölindustrie zur Lokalisierung unterirdischer Ressourcen eingesetzt.
Recycling von Kernbrennstoff: In Ländern mit fortgeschrittenen Nuklearprogrammen wie Frankreich und Japan wird aus abgebranntem Kernbrennstoff gewonnenes Plutonium zu neuem MOX-Brennstoff (Mischoxid) recycelt, wodurch nukleare Abfälle reduziert und Uranressourcen geschont werden.
Standards in Forschungslaboren: Winzige Mengen von Plutoniumisotopen dienen in nuklearen Laboren als Referenzstandards zur Kalibrierung von Messgeräten und zur Untersuchung der Actinoidchemie.
NASA-Missionen: Plutonium-238 ist die übliche Energiequelle für die entferntesten Missionen, obwohl solarbetriebene Sonden wie Juno und Europa Clipper bei Jupiter arbeiten. Die begrenzten Vorräte der NASA versorgen wichtige Missionen wie die Marsrover und die Erkundung der äußeren Planeten mit Energie, wodurch Plutonium für die Weltraumforschung wertvoller als Gold ist.
Nuklearchemie: Forschungseinrichtungen verwenden Plutonium zur Untersuchung der Chemie transuraner Elemente, nuklearer Zerfallsprozesse und der grundlegenden Eigenschaften schwerer Atomkerne.
Neutronenaktivierungsanalyse: Plutonium-Beryllium-Neutronenquellen helfen bei der Analyse der Zusammensetzung von Materialien in Geologie, Archäologie und Materialwissenschaft.
Wichtiger Hinweis: Alle Anwendungen von Plutonium werden von internationalen Nuklearbehörden streng reguliert. Aufgrund seiner intensiven Radioaktivität und seines Waffenpotenzials gibt es keine Anwendungen für Verbraucher.
Woher es stammt
0 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 0 % der Elemente
Natürliche Spurenbildung: Obwohl Plutonium im Wesentlichen synthetisch hergestellt wird, wurden sehr kleine Mengen (gemessen in Teilen pro Billion) in Uranerzlagerstätten wie denen in Gabun, Afrika, nachgewiesen. Diese Spuren entstehen durch äußerst seltene natürliche Kernreaktionen, wenn Uran Neutronen aus kosmischer Strahlung einfängt oder spontan spaltet.
Uranumwandlung: Praktisch sämtliches Plutonium wird künstlich in Kernreaktoren erzeugt, wenn Uran-238 Neutronen absorbiert und einem Betazerfall unterliegt. Dieser Prozess findet natürlich in jedem uranbetriebenen Reaktor statt und macht Plutonium zu einem Nebenprodukt der Nuklearstromerzeugung.
Kontrollierte Herstellung: Spezielle Produktionsreaktoren können so optimiert werden, dass sie durch sorgfältige Steuerung des Neutronenflusses und der Brennstoffbestrahlungszeit die Plutoniumproduktion maximieren. Die Qualität und isotopische Zusammensetzung von Plutonium hängen stark von diesen Produktionsparametern ab.
Weltweite Lagerbestände: Anfang 2025 gab es weltweit etwa 565 Tonnen abgetrenntes Plutonium, davon etwa 425 Tonnen zivil, zusätzlich zu dem Plutonium, das sich noch in abgebranntem Brennstoff befindet. Dies entspricht einem der am sorgfältigsten überwachten und gesicherten Materialien der Erde.
Waffen- und Reaktorqualität: Die Qualität von Plutonium variiert erheblich – waffenfähiges Plutonium (>93% Pu-239) erfordert spezielle Herstellungstechniken, während reaktortaugliches Plutonium mehrere Isotope enthält und sich weniger für Waffen eignet, aber hervorragend zur Stromerzeugung geeignet ist.
MOX-Brennstoffherstellung: Länder wie Frankreich arbeiten abgebrannten Kernbrennstoff wieder auf, um Plutonium für das Recycling zu neuem Brennstoff zu gewinnen. Dadurch entsteht ein geschlossener Kernbrennstoffkreislauf, der Abfälle reduziert und Uranressourcen schont.
Handhabung
Plutonium ist radioaktiv. Es besitzt kein stabiles Isotop — jeder Atomkern zerfällt. Die Handhabung erfordert eine geeignete Abschirmung und Genehmigungen.
Tödliche Radioaktivität: Plutonium ist ein bekanntes Humankarzinogen: Eingeatmetes oder vom Körper resorbiertes Plutonium kann Jahre nach der Exposition Lungen-, Knochen- und Leberkrebs verursachen. Ein mikroskopisch kleines Teilchen Plutonium-239, das in die Lunge eingeatmet wird, kann Jahrzehnte später Lungenkrebs verursachen. Ein Nanogramm Plutonium-239 hat eine Aktivität von nur etwa 2,3 Becquerel; die Gefahr wächst daher mit der eingeatmeten Menge.
Alphastrahlung: Plutonium emittiert Alphateilchen, die die Haut nicht durchdringen können, aber verheerende Schäden verursachen, wenn Plutoniumstaub eingeatmet oder verschluckt wird. Alphateilchen zerstören die Zell-DNA und verursachen Krebs, genetische Mutationen und Strahlenkrankheit.
Langzeitexposition: Plutonium-239 hat eine Halbwertszeit von 24.100 Jahren, was bedeutet, dass es Hunderttausende von Jahren gefährlich bleibt. Sobald es sich im Körper befindet, konzentriert es sich in Knochen und Organen und verursacht lebenslange Strahlenbelastung.
Nukleare Sicherheit: Die Sicherung von Plutonium ist nach internationalen und nationalen Vorschriften nach Menge abgestuft; die strengsten Maßnahmen gelten für Kilogrammmengen waffenfähigen Materials. Für solche Mengen erfordern Transport, Lagerung und Handhabung mehrere Genehmigungsstufen und bewaffnete Sicherheitskräfte.
Einschlusssysteme: Arbeiten mit Plutonium erfordern spezielle Handschuhkästen, einen Einschluss unter Unterdruck, eine kontinuierliche Luftüberwachung und Notfallteams. Selbst Forschungsmengen verlangen besondere Sicherheitsmaßnahmen.
Kontaminationsprotokoll: Bei jedem Verdacht auf Plutoniumexposition ist unverzüglich eine medizinische Behandlung durch auf Strahlenmedizin spezialisierte Fachkräfte erforderlich. Dekontaminationsverfahren sind komplex und zeitkritisch.
Öffentliche Sicherheit: Die Exposition von Zivilpersonen gegenüber Plutonium wird durch mehrere regulatorische Barrieren, internationale Verträge und physische Sicherheitsmaßnahmen verhindert, die es zu einem der am strengsten kontrollierten Materialien der Erde machen.
Schnelle Antworten
Plutonium (Symbol Pu) ist Element 94 im Periodensystem, ein Actinoid in Periode 7. Das Element, das das Atomzeitalter möglich machte und Raumfahrzeuge jenseits der Reichweite der Sonne antreibt. Bei Raumtemperatur ist es fest und radioaktiv.
[Rn] 5f⁶ 7s²; sie ergibt 7 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2.Plutonium schmilzt bei 913 K (639,9 °C) und siedet bei 3505 K (3231,9 °C).
Plutonium hat kein stabiles Isotop und daher keine Standardatommasse. Die angegebene Zahl 244 ist die Massenzahl seines langlebigsten bekannten Isotops.
Plutonium hat kein stabiles Isotop. Sein langlebigstes bekanntes Isotop, Pu-244, hat 150 Neutronen (Massenzahl 244 minus Ordnungszahl 94) und eine Halbwertszeit von 8,13 × 10⁷ J. Die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse (244) minus Ordnungszahl, ergibt ebenfalls 150.
Plutonium hat eine Dichte von 19,85 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1,0 g/cm³, daher ist ein Block aus Plutonium ungefähr 19,9× schwerer.
Plutonium hat eine Elektronegativität von 1,28 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Plutonium wurde 1940 von Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl entdeckt. Herkunft des Namens: Pluto, weiter außen als Neptun.
Plutonium kommt auf der Erde in keiner nennenswerten Menge natürlich vor — es wird in einem Reaktor oder einem Teilchenbeschleuniger hergestellt.
Ja. Plutonium hat kein stabiles Isotop — jeder seiner Atomkerne zerfällt. Spurenmengen kommen natürlich als Zerfallsprodukte schwererer Elemente vor.