Pu · Elemento 94 · Attinoide
L'elemento che ha reso possibile l'era atomica e alimenta i veicoli spaziali oltre la portata del Sole.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca plutonio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 159 pm — cioè 0,159 nm, quindi ne servirebbero circa 3,14 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Plutonio è liquido in un intervallo di 2592 K, da 913 K a 3505 K.
La storia
L'elemento che ha reso possibile l'era atomica e alimenta i veicoli spaziali oltre la portata del Sole.
Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy e Arthur Wahl dell'Università della California, Berkeley, scoprirono il plutonio tra la fine del 1940 e l'inizio del 1941. Questa scoperta avrebbe letteralmente cambiato il corso della storia mondiale e posto fine alla Seconda guerra mondiale.
Bombardamento con deuteroni: Il 14 dicembre 1940, il team bombardò l'uranio-238 con deuteroni (nuclei di idrogeno pesante) nel ciclotrone da 60 pollici di Berkeley. Crearono nettunio-238, che successivamente decadde in un elemento sconosciuto con numero atomico 94.
Isolamento chimico: Il brillante lavoro di chimica di Seaborg all'inizio del 1941 riuscì a isolare e identificare l'elemento 94. Scoprirono che era fissile come l'uranio-235, ma poteva essere separato chimicamente dall'uranio molto più facilmente: un vantaggio fondamentale per la produzione di armi.
Segretezza durante la guerra: La scoperta fu immediatamente classificata come segretissima. Il Progetto Manhattan si rese conto che il plutonio offriva una strada potenzialmente più semplice verso le armi nucleari rispetto all'arricchimento dell'uranio-235, portando alla costruzione di enormi reattori di produzione a Hanford, Washington.
Test Trinity: Il primo test al mondo di un'arma nucleare, il 16 luglio 1945 nel Nuovo Messico, utilizzò un dispositivo a implosione al plutonio. Tre settimane dopo, una bomba al plutonio simile fu sganciata su Nagasaki, in Giappone, ponendo fine alla Seconda guerra mondiale.
Tema planetario: Seguendo il modello del nettunio (Nettuno), gli scopritori chiamarono l'elemento 94 "plutonio" in onore del pianeta nano Plutone. Il nome sembrava particolarmente appropriato vista l'associazione di Plutone con gli inferi, riflettendo il potenziale distruttivo del plutonio.
Traguardo scientifico: Glenn Seaborg vinse il Premio Nobel per la chimica nel 1951 per la scoperta del plutonio e di altri elementi transuranici. Il suo lavoro stabilì la serie degli attinoidi e rivoluzionò la nostra comprensione della chimica degli elementi pesanti.
Inizio dell'era atomica: La scoperta del plutonio segnò il vero inizio dell'era atomica. Rese possibili sia le armi nucleari sia l'energia nucleare, cambiando radicalmente le relazioni internazionali, la strategia militare e la produzione di energia per tutte le generazioni future.
Applicazioni
Combustibile per reattori nucleari: Il plutonio-239 è uno dei materiali fissili più importanti per la produzione di energia nucleare. Il combustibile a ossidi misti (MOX) contenente plutonio offre un modo sostenibile per riciclare le scorie nucleari producendo al contempo elettricità pulita per milioni di abitazioni in tutto il mondo.
Reattori veloci autofertilizzanti: I progetti avanzati di reattori usano il plutonio sia come combustibile sia come materiale fertile, offrendo potenzialmente secoli di energia nucleare pulita mentre consumano le scorie nucleari esistenti. Paesi come Russia, Cina e India gestiscono reattori veloci alimentati a plutonio con risultati positivi.
Generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG): Il plutonio-238 alimenta alcune delle più importanti imprese spaziali dell'umanità, tra cui le sonde Voyager (ora nello spazio interstellare), i rover marziani Curiosity e Perseverance e la missione New Horizons verso Plutone. Questi RTG forniscono energia affidabile per decenni nel difficile ambiente dello spazio.
Missioni nello spazio profondo: Il lungo tempo di dimezzamento e l'elevata densità energetica del plutonio lo rendono insostituibile per le missioni oltre Marte, dove i pannelli solari diventano inefficaci. Le future missioni verso i pianeti esterni e lo spazio interstellare dipendono da fonti di energia al plutonio.
Pacemaker cardiaci: Il plutonio-238 alimentava i primi pacemaker cardiaci, fornendo energia affidabile ai pazienti per oltre 20 anni. Sebbene le tecnologie più recenti delle batterie li abbiano in gran parte sostituiti, alcuni impianti medici di lunga durata usano ancora fonti di energia al plutonio.
Ricerca medica: Quantità controllate di isotopi del plutonio sono usate nella ricerca medica avanzata per comprendere gli effetti delle radiazioni e sviluppare nuovi trattamenti contro il cancro, sebbene ciò richieda i più rigorosi protocolli di sicurezza.
Ricerca fondamentale: Le proprietà nucleari uniche del plutonio lo rendono essenziale per studiare la fissione nucleare, le reazioni di fusione e il comportamento dei nuclei pesanti. Questa ricerca migliora la nostra comprensione della nucleosintesi stellare e delle origini degli elementi pesanti nell'universo.
Sorgenti di neutroni: Le sorgenti di neutroni plutonio-berillio sono usate nei reattori di ricerca, nell'analisi per attivazione neutronica e nei sondaggi dei pozzi nell'industria petrolifera per localizzare risorse sotterranee.
Riciclaggio del combustibile nucleare: Nei Paesi con programmi nucleari avanzati come Francia e Giappone, il plutonio estratto dal combustibile nucleare esaurito viene riciclato in nuovo combustibile MOX (a ossidi misti), riducendo le scorie nucleari e prolungando le risorse di uranio.
Standard dei laboratori di ricerca: Piccole quantità di isotopi del plutonio servono come standard di riferimento nei laboratori nucleari per calibrare le apparecchiature di rilevamento e studiare la chimica degli attinoidi.
Missioni NASA: Il plutonio-238 è l'unica fonte di energia pratica per le missioni nello spazio profondo. Le scorte limitate della NASA alimentano missioni fondamentali come i rover marziani e le sonde dei pianeti esterni, rendendolo più prezioso dell'oro per l'esplorazione spaziale.
Chimica nucleare: Le strutture di ricerca usano il plutonio per studiare la chimica degli elementi transuranici, i processi di decadimento nucleare e le proprietà fondamentali dei nuclei pesanti.
Analisi per attivazione neutronica: Le sorgenti di neutroni plutonio-berillio aiutano ad analizzare la composizione dei materiali in geologia, archeologia e scienza dei materiali.
Nota fondamentale: Tutte le applicazioni del plutonio sono rigorosamente regolamentate dalle autorità nucleari internazionali. Non esistono usi per i consumatori a causa della sua estrema radioattività e del suo potenziale bellico.
Da dove proviene
0 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 0% degli elementi
Formazione naturale in tracce: Sebbene il plutonio sia essenzialmente sintetico, quantità incredibilmente piccole (misurate in parti per trilione) sono state rilevate in giacimenti di minerali di uranio come quelli del Gabon, in Africa. Queste tracce si formano attraverso reazioni nucleari naturali estremamente rare, quando l'uranio cattura neutroni dai raggi cosmici o dalla fissione spontanea.
Trasmutazione dell'uranio: Praticamente tutto il plutonio viene prodotto artificialmente nei reattori nucleari quando l'uranio-238 assorbe neutroni e subisce un decadimento beta. Questo processo avviene naturalmente in qualsiasi reattore alimentato a uranio, rendendo il plutonio un sottoprodotto della produzione di energia nucleare.
Produzione controllata: I reattori di produzione specializzati possono essere ottimizzati per massimizzare la produzione di plutonio controllando attentamente il flusso neutronico e il tempo di esposizione del combustibile. La qualità e la composizione isotopica del plutonio dipendono fortemente da questi parametri di produzione.
Scorte mondiali: Nel mondo esistono circa 500 tonnellate metriche di plutonio, principalmente come sottoprodotto della produzione di energia nucleare. Questo rappresenta uno dei materiali più attentamente monitorati e protetti sulla Terra.
Qualità per armi e qualità per reattori: La qualità del plutonio varia significativamente: il plutonio per uso bellico (>93% Pu-239) richiede tecniche di produzione speciali, mentre il plutonio per uso nei reattori contiene più isotopi ed è meno adatto alle armi, ma eccellente per la produzione di energia.
Produzione di combustibile MOX: Paesi come la Francia ritrattano il combustibile nucleare esaurito per estrarre il plutonio e riciclarlo in nuovo combustibile, creando un ciclo chiuso del combustibile nucleare che riduce le scorie e prolungare le risorse di uranio.
Manipolazione
Plutonio è radioattivo. Non ha isotopi stabili: ogni nucleo decade. La gestione richiede schermatura e autorizzazioni adeguate.
Radioattività letale: Il plutonio è una delle sostanze più tossiche conosciute dall'umanità. Una particella microscopica di plutonio-239 inalata nei polmoni può causare un tumore polmonare decenni più tardi. Anche quantità dell'ordine dei nanogrammi comportano gravi rischi per la salute.
Radiazione alfa: Il plutonio emette particelle alfa che non possono penetrare nella pelle, ma causano danni devastanti se la polvere di plutonio viene inalata o ingerita. Le particelle alfa distruggono il DNA cellulare e causano cancro, mutazioni genetiche e malattia da radiazioni.
Esposizione a lungo termine: Il plutonio-239 ha un tempo di dimezzamento di 24.100 anni, il che significa che rimane pericoloso per centinaia di migliaia di anni. Una volta entrato nell'organismo, si concentra nelle ossa e negli organi, causando un'esposizione alle radiazioni per tutta la vita.
Sicurezza nucleare: Tutto il plutonio è soggetto ai più rigorosi protocolli internazionali di sicurezza a causa del suo potenziale bellico. Il trasporto, lo stoccaggio e la manipolazione richiedono molteplici livelli di autorizzazione e sicurezza armata.
Sistemi di contenimento: Il lavoro con il plutonio richiede glove box specializzate, contenimento a pressione negativa, monitoraggio continuo dell'aria e squadre di risposta alle emergenze. Anche le quantità destinate alla ricerca richiedono misure di sicurezza straordinarie.
Protocollo di contaminazione: Qualsiasi sospetta esposizione al plutonio richiede cure mediche immediate da parte di specialisti formati in medicina delle radiazioni. Le procedure di decontaminazione sono complesse e richiedono un intervento tempestivo.
Sicurezza pubblica: L'esposizione dei civili al plutonio viene impedita attraverso molteplici barriere normative, trattati internazionali e misure di sicurezza fisica che lo rendono uno dei materiali più rigorosamente controllati sulla Terra.
Risposte rapide
Plutonio (simbolo Pu) è l'elemento 94 nella tavola periodica, appartenente a Attinoide nel periodo 7. L'elemento che ha reso possibile l'era atomica e alimenta i veicoli spaziali oltre la portata del Sole. A temperatura ambiente è un solido ed è radioattivo.
[Rn] 5f⁶ 7s², con 7 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2.Plutonio fonde a 913 K (639.9 °C) ed entra in ebollizione a 3505 K (3231.9 °C).
Plutonio non ha isotopi stabili, quindi non ha una massa atomica standard. Il valore indicato, 244, è il numero di massa del suo isotopo noto con la vita più lunga.
Plutonio ha una densità di 19.85 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Plutonio è circa 19.9× più pesante.
Plutonio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.28. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Plutonio è stato scoperto nel 1940 da Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. Prende il nome da plutone, subito oltre Nettuno.
Plutonio non si trova naturalmente sulla Terra in quantità significative: viene prodotto in un reattore o in un acceleratore.
Sì. Plutonio non ha isotopi stabili — ogni suo nucleo decade. Quantità in tracce si trovano naturalmente come prodotti del decadimento di elementi più pesanti.