94 Pu プルトニウム 244*
アクチノイド fブロック 7周期 放射性

プルトニウム

Pu · 元素 94 · アクチノイド

原子時代を可能にし、太陽の届かない領域へ向かう宇宙船を動かす元素です。

20°Cでの状態 固体
原子量 244 u
電子配置[Rn] 5f⁶ 7s²

構造

プルトニウムの原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

物性表

各バーは、その性質についてプルトニウムが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

密度 19.85 g/cm³ 88%
融点 913 K 38%
沸点 3505 K 73%
比熱 0.13 J/g·K
熱伝導率 6.74 W/m·K 20%

原子

原子半径 159 pm 50%
共有結合半径 187 pm
ファンデルワールス半径 243 pm

電子

電気陰性度 1.28 28%
イオン化エネルギー 581.8 kJ/mol 26%
電子親和力 —

存在

地殻中の存在度 0 mg/kg 0%

同一性

元素記号Pu
原子番号94
原子量244 u
分類アクチノイド
ブロックf
結晶構造単斜晶系
酸化数+3, +4, +5, +6, +7
発見年1940
発見者Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl

出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

プルトニウムの原子はどのくらいの大きさですか?

半径159 pmです。これは0.159 nmなので、約3.14百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

プルトニウムは、913 Kから3505 Kまでの2592 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

プルトニウムはアクチノイド系列に位置し、メインのグリッドの下に表示されます。

その他のアクチノイド

アクチノイドのすべて

物語

プルトニウムとは何か、そしてどのように発見されたか

原子時代を可能にし、太陽の届かない領域へ向かう宇宙船を動かす元素です。

プルトニウムの発見

世界を変えた発見 - 1940-1941年

Glenn T. Seaborg、Edwin McMillan、Joseph W. Kennedy、Arthur Wahlは、カリフォルニア大学バークレー校で、1940年末から1941年初めにかけてプルトニウムを発見しました。この発見は文字どおり世界史の流れを変え、第二次世界大戦を終結させることになります。

革新的な実験

重陽子の照射:1940年12月14日、研究チームはバークレーの60インチサイクロトロンで、ウラン-238に重陽子(水素の重い原子核)を照射しました。彼らはネプツニウム-238を生成し、これがその後、原子番号94の未知の元素に崩壊しました。

化学的分離:Seaborgの優れた化学研究により、1941年初め、元素94の分離と同定に成功しました。元素94はウラン-235と同様に核分裂性を持ちながら、ウランからはるかに容易に化学分離できることが発見されました。これは兵器製造における重要な利点でした。

マンハッタン計画への影響

戦時中の秘密保持:この発見は直ちに最高機密に指定されました。マンハッタン計画は、プルトニウムがウラン-235の濃縮よりも容易に核兵器へ至る可能性を持つと認識し、ワシントン州ハンフォードに大規模な生成炉を建設しました。

トリニティ実験:1945年7月16日にニューメキシコで行われた世界初の核兵器実験では、プルトニウムを用いた爆縮型装置が使用されました。3週間後、同様のプルトニウム爆弾が日本の長崎に投下され、第二次世界大戦が終結しました。

冥王星にちなんだ命名

惑星をテーマにした命名:発見者たちは、ネプツニウム(海王星)に続く命名の流れに従い、元素94を準惑星の冥王星にちなんで「プルトニウム」と名付けました。冥王星が冥界と結び付けられていることから、この名称はプルトニウムの破壊的な可能性を反映するものとして、特にふさわしいと考えられました。

ノーベル賞による評価

科学的成果:Glenn Seaborgは、プルトニウムやその他の超ウラン元素を発見した功績により、1951年にノーベル化学賞を受賞しました。彼の研究はアクチノイド系列を確立し、重元素の化学に関する理解に革命をもたらしました。

歴史的意義

原子時代の始まり:プルトニウムの発見は、原子時代の真の始まりを示しました。プルトニウムは核兵器と原子力の両方を可能にし、国際関係、軍事戦略、エネルギー生産を、後のすべての世代にわたって根本的に変えました。

用途

プルトニウムの用途

原子力発電

原子炉燃料:プルトニウム-239は、原子力発電における最も重要な核分裂性物質の一つです。プルトニウムを含む混合酸化物(MOX)燃料は、世界中の数百万人の家庭にクリーンな電力を供給しながら、核廃棄物を再利用する持続可能な方法を提供します。

高速増殖炉:先進的な原子炉設計では、プルトニウムを燃料と増殖材の両方として使用し、既存の核廃棄物を消費しながら、数世紀にわたるクリーンな原子力エネルギーを供給できる可能性があります。ロシア、中国、インドなどの国々では、プルトニウムを燃料とする高速炉が実用化されています。

宇宙探査用電源

放射性同位体熱電気転換器(RTG):プルトニウム-238は、現在恒星間空間にあるボイジャー探査機、キュリオシティおよびパーサヴィアランス火星探査車、冥王星へのニュー・ホライズンズミッションなど、人類史上最大級の宇宙探査を支えています。これらのRTGは、過酷な宇宙環境で数十年にわたり信頼性の高い電力を供給します。

深宇宙ミッション:プルトニウムの長い半減期と高いエネルギー密度により、太陽電池パネルが有効でなくなる火星以遠のミッションでは、プルトニウムは代替できない電源となっています。外惑星や恒星間空間への将来のミッションは、プルトニウム電源に依存しています。

医療用途

心臓ペースメーカー:プルトニウム-238は初期の心臓ペースメーカーに使用され、患者に20年以上にわたって安定した電力を供給しました。新しい電池技術にほぼ置き換えられていますが、一部の長寿命医療用インプラントでは、現在もプルトニウム電源が使用されています。

医学研究:プルトニウム同位体は、放射線の影響を理解し、新しいがん治療法を開発するための先端医学研究で、管理された量が使用されています。ただし、これには最高水準の安全プロトコルが必要です。

核物理学研究

基礎研究:プルトニウムの独特な核の性質は、核分裂、核融合反応、重い原子核の挙動を研究するうえで不可欠です。この研究は、恒星内元素合成と、宇宙における重元素の起源に関する理解を深めます。

中性子源:プルトニウム・ベリリウム中性子源は、研究炉、中性子放射化分析、石油産業における地下資源の位置確認のための物理検層に使用されています。

厳しく制限された用途

核燃料の再利用:フランスや日本など、原子力計画が進んだ国では、使用済み核燃料から抽出したプルトニウムを新しいMOX(混合酸化物)燃料に再利用し、核廃棄物を減らすとともに、ウラン資源を有効に利用しています。

研究ラボの標準物質:微量のプルトニウム同位体は、検出機器の校正やアクチノイド化学の研究のため、核研究ラボで基準物質として使用されています。

宇宙技術

NASAのミッション:プルトニウム-238は、深宇宙ミッションに実用的に利用できる唯一の電源です。NASAの限られた供給量は、火星探査車や外惑星探査機などの重要なミッションを支えており、宇宙探査においては金よりも価値が高いものとなっています。

科学研究

核化学:研究施設では、超ウラン元素の化学、核崩壊過程、重い原子核の基本的な性質を研究するためにプルトニウムを使用しています。

中性子放射化分析:プルトニウム・ベリリウム中性子源は、地質学、考古学、材料科学における物質の組成分析に役立ちます。

重要な注意:プルトニウムのすべての用途は、国際的な核当局によって厳しく規制されています。極めて強い放射能と兵器化の可能性があるため、消費者向けの用途はありません。

起源

自然界での存在

地殻に0 mg/kg存在し、0%の元素より存在度が高い

自然界にはほぼ存在しない

自然界での微量生成:プルトニウムはほぼ完全に人工的なものですが、アフリカのガボンなどのウラン鉱床から、極めて微量(1兆分の1の単位で測定される量)が検出されています。これらの痕跡量は、ウランが宇宙線や自発核分裂から生じた中性子を捕獲する、極めてまれな自然核反応によって生成されます。

原子炉での生成

ウランの核変換:ほぼすべてのプルトニウムは、原子炉内でウラン-238が中性子を吸収し、ベータ崩壊を起こすことで人工的に生成されます。この過程は、ウラン燃料を使用するあらゆる原子炉で自然に起こるため、プルトニウムは原子力発電の副産物となっています。

管理された生成:専用の生成炉では、中性子束と燃料の照射時間を慎重に制御することで、プルトニウム生成量を最大化できます。プルトニウムの品質と同位体組成は、これらの生成条件に大きく左右されます。

世界的な在庫

世界の備蓄:世界には約500メートルトンのプルトニウムが存在し、その大部分は原子力発電の副産物です。これは、地球上で最も厳重に監視・管理されている物質の一つです。

兵器級と原子炉級:プルトニウムの品質には大きな違いがあります。兵器級プルトニウム(93%超のPu-239)には特別な生成技術が必要である一方、原子炉級プルトニウムは複数の同位体を含み、兵器にはあまり適していませんが、発電には非常に優れています。

再利用と再処理

MOX燃料の製造:フランスなどの国々では、使用済み核燃料を再処理してプルトニウムを抽出し、新しい燃料に再利用しています。これにより、廃棄物を減らし、ウラン資源を有効利用する閉じた核燃料サイクルが実現します。

取り扱い

安全性

プルトニウムは放射性です。 安定同位体はなく、すべての原子核が崩壊します。 取り扱いには適切な遮蔽と許可が必要です。

極めて危険な物質

致死性の放射能:プルトニウムは、人類が知る中で最も毒性の高い物質の一つです。プルトニウム-239の微小な粒子を吸入すると、数十年後に肺がんを引き起こす可能性があります。ナノグラム単位の量でも、深刻な健康リスクがあります。

吸入による危険

アルファ線:プルトニウムは、皮膚を通過できないアルファ粒子を放出しますが、プルトニウムの粉じんを吸入または摂取すると、壊滅的な損傷を引き起こします。アルファ粒子は細胞のDNAを破壊し、がん、遺伝子変異、放射線障害を引き起こします。

長期的な被ばく:プルトニウム-239の半減期は24,100年であり、数十万年にわたって危険な状態が続くことを意味します。体内に入ると、骨や臓器に蓄積し、生涯にわたる放射線被ばくを引き起こします。

セキュリティプロトコル

核セキュリティ:プルトニウムは兵器化の可能性があるため、すべてのプルトニウムが最高水準の国際セキュリティプロトコルの対象となります。輸送、保管、取り扱いには、複数の承認レベルと武装警備が必要です。

封じ込めシステム:プルトニウムを扱うには、専用のグローブボックス、負圧封じ込め、継続的な空気監視、緊急対応チームが必要です。研究用の量であっても、並外れた安全対策が求められます。

緊急時の対応

汚染時の手順:プルトニウムへの被ばくが疑われる場合は、放射線医学の訓練を受けた専門家による緊急の医療処置が必要です。除染手順は複雑で、時間的な制約があります。

公共の安全:民間人のプルトニウム被ばくは、複数の規制上の障壁、国際条約、物理的なセキュリティ対策によって防止されています。これにより、プルトニウムは地球上で最も厳重に管理されている物質の一つとなっています。

簡単な回答

プルトニウム:よくある質問

プルトニウムとは何ですか?

プルトニウム(記号Pu)は周期表の元素94で、7周期のアクチノイドです。 原子時代を可能にし、太陽の届かない領域へ向かう宇宙船を動かす元素です。 室温では固体で、放射性です。

プルトニウムの電子配置はどのようなものですか?

プルトニウムの基底状態の電子配置は[Rn] 5f⁶ 7s²で、2, 8, 18, 32, 24, 8, 2という分布の電子殻が7個あります。

プルトニウムの融点と沸点は何ですか?

プルトニウムの融点は913 K(639.9 °C)、沸点は3505 K(3231.9 °C)です。

プルトニウムの原子量は何ですか?

プルトニウムには安定同位体がないため、標準原子量はありません。記載されている244は、既知の同位体のうち最も長寿命なものの質量数です。

プルトニウムの密度はどのくらいですか?

プルトニウムの密度は19.85 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、プルトニウムの塊は約19.9倍重いです。

プルトニウムの電気陰性度はどのくらいですか?

プルトニウムのポーリング電気陰性度は1.28です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。

プルトニウムを発見したのは誰で、いつですか?

プルトニウムは1940年にSeaborg, McMillan, Kennedy & Wahlによって発見されました。 pluto。Neptuneのさらに外側にありますにちなんで名付けられました。

地球上でプルトニウムはどのくらい一般的ですか?

プルトニウムは地球上に意味のある量では自然に存在せず、原子炉や加速器で作られます。

プルトニウムは放射性ですか?

はい。プルトニウムには安定同位体がなく、その原子核はすべて崩壊します。 重い元素の崩壊生成物として、微量が自然に存在します。