Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение плутоний среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 159 pm — это 0,159 нм, поэтому около 3,14 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Плутоний находится в жидком состоянии в диапазоне 2592 K — от 913 K до 3505 K.
История
Элемент, сделавший возможной атомную эпоху и питающий космические аппараты за пределами досягаемости Солнца.
Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy и Arthur Wahl из Калифорнийского университета в Беркли открыли плутоний в конце 1940 — начале 1941 года. Это открытие буквально изменило ход мировой истории и положило конец Второй мировой войне.
Бомбардировка дейтронами: 14 декабря 1940 года команда бомбардировала уран-238 дейтронами (ядрами тяжёлого водорода) в циклотроне Беркли диаметром 60 дюймов. Они создали нептуний-238, который затем распался в неизвестный элемент с атомным номером 94.
Химическое выделение: Благодаря выдающейся работе Seaborg в области химии в начале 1941 года удалось выделить и идентифицировать элемент 94. Учёные обнаружили, что он делится подобно урану-235, но может быть гораздо легче химически отделён от урана — важнейшее преимущество для производства оружия.
Секретность военного времени: Открытие немедленно засекретили как совершенно секретное. В Манхэттенском проекте поняли, что плутоний может обеспечить более простой путь к ядерному оружию, чем обогащение урана-235, что привело к строительству мощных производственных реакторов в Хэнфорде, штат Вашингтон.
Испытание Trinity: В ходе первого в мире испытания ядерного оружия 16 июля 1945 года в Нью-Мексико использовалось плутониевое имплозивное устройство. Три недели спустя аналогичная плутониевая бомба была сброшена на Нагасаки, Япония, что положило конец Второй мировой войне.
Планетарная тема: Следуя образцу нептуния (Нептун), первооткрыватели назвали элемент 94 «плутонием» в честь карликовой планеты Плутон. Это название казалось особенно подходящим из-за связи Плутона с подземным миром и отражало разрушительный потенциал плутония.
Научное достижение: Glenn Seaborg получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году за открытие плутония и других трансурановых элементов. Его работа установила существование ряда актиноидов и произвела революцию в понимании химии тяжёлых элементов.
Начало атомной эры: Открытие плутония ознаменовало подлинное начало атомной эры. Оно сделало возможными как ядерное оружие, так и ядерную энергетику, фундаментально изменив международные отношения, военную стратегию и производство энергии для всех будущих поколений.
Применение
Топливо для ядерных реакторов: Плутоний-239 — один из важнейших делящихся материалов для производства ядерной энергии. МОКС-топливо, содержащее плутоний, позволяет перерабатывать ядерные отходы и одновременно вырабатывать экологически чистое электричество для миллионов домов по всему миру.
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах: В современных конструкциях реакторов плутоний используется как топливо и материал для воспроизводства ядерного топлива, что потенциально обеспечивает века чистой ядерной энергии при переработке уже существующих ядерных отходов. Такие страны, как Россия, Китай и Индия, эксплуатируют успешно работающие реакторы на быстрых нейтронах с плутониевым топливом.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ): Плутоний-238 обеспечивает энергией некоторые величайшие космические достижения человечества, включая зонды Voyager (ныне находящиеся в межзвёздном пространстве), марсоходы Curiosity и Perseverance, а также миссию New Horizons к Плутону. Эти РИТЭГ надёжно вырабатывают энергию десятилетиями в суровых условиях космоса.
Миссии в дальний космос: Большой период полураспада и высокая плотность энергии плутония делают его незаменимым для миссий за пределами Марса, где солнечные панели становятся неэффективными. Будущие миссии к внешним планетам и в межзвёздное пространство зависят от плутониевых источников энергии.
Кардиостимуляторы: Плутоний-238 использовался в первых кардиостимуляторах, обеспечивая пациентам надёжное питание более 20 лет. Хотя современные технологии аккумуляторов в значительной степени заменили их, некоторые долговечные медицинские имплантаты всё ещё используют плутониевые источники энергии.
Медицинские исследования: Контролируемые количества изотопов плутония используются в передовых медицинских исследованиях для изучения воздействия радиации и разработки новых методов лечения рака, однако это требует строжайших протоколов безопасности.
Фундаментальные исследования: Уникальные ядерные свойства плутония делают его необходимым для изучения деления ядер, реакций синтеза и поведения тяжёлых ядер. Эти исследования расширяют наше понимание звёздного нуклеосинтеза и происхождения тяжёлых элементов во Вселенной.
Источники нейтронов: Плутониево-бериллиевые источники нейтронов используются в исследовательских реакторах, нейтронно-активационном анализе и каротаже в нефтяной промышленности для обнаружения подземных ресурсов.
Переработка ядерного топлива: В странах с развитыми ядерными программами, таких как Франция и Япония, плутоний, извлечённый из отработавшего ядерного топлива, перерабатывается в новое МОКС-топливо, что сокращает объём ядерных отходов и продлевает использование ресурсов урана.
Стандарты исследовательских лабораторий: Крошечные количества изотопов плутония служат эталонными стандартами в ядерных лабораториях для калибровки оборудования обнаружения и изучения химии актиноидов.
Миссии NASA: Плутоний-238 — единственный практически применимый источник энергии для миссий в дальний космос. Ограниченные запасы NASA обеспечивают энергией важнейшие миссии, такие как марсоходы и исследовательские аппараты внешних планет, что делает плутоний для освоения космоса ценнее золота.
Ядерная химия: Исследовательские учреждения используют плутоний для изучения химии трансурановых элементов, процессов радиоактивного распада и фундаментальных свойств тяжёлых ядер.
Нейтронно-активационный анализ: Плутониево-бериллиевые источники нейтронов помогают анализировать состав материалов в геологии, археологии и материаловедении.
Важное примечание: Все виды применения плутония строго регулируются международными органами ядерного контроля. Потребительского применения не существует из-за его чрезвычайной радиоактивности и возможности использования для создания оружия.
Откуда он происходит
0 мг/кг земной коры · более распространён, чем 0% элементов
Следовые количества природного образования: Хотя плутоний практически полностью является искусственным, чрезвычайно малые количества (измеряемые в частях на триллион) были обнаружены в месторождениях урановой руды, например в Габоне, Африка. Эти следовые количества образуются в результате крайне редких природных ядерных реакций, когда уран захватывает нейтроны космических лучей или самопроизвольного деления.
Трансмутация урана: Практически весь плутоний искусственно производят в ядерных реакторах, где уран-238 поглощает нейтроны и подвергается бета-распаду. Этот процесс естественным образом происходит в любом реакторе на урановом топливе, делая плутоний побочным продуктом производства ядерной энергии.
Контролируемое производство: Специализированные производственные реакторы можно оптимизировать для максимального производства плутония, тщательно регулируя поток нейтронов и время облучения топлива. Качество и изотопный состав плутония в значительной степени зависят от этих параметров производства.
Запасы по всему миру: Во всём мире существует примерно 500 метрических тонн плутония, главным образом в виде побочного продукта производства ядерной энергии. Это один из наиболее тщательно контролируемых и охраняемых материалов на Земле.
Оружейный и реакторный плутоний: Качество плутония существенно различается: оружейный плутоний (>93% Pu-239) требует специальных методов производства, тогда как реакторный плутоний содержит несколько изотопов и менее пригоден для создания оружия, но отлично подходит для производства энергии.
Производство МОКС-топлива: Такие страны, как Франция, перерабатывают отработавшее ядерное топливо, извлекая плутоний для повторного использования в новом топливе. Это создаёт замкнутый ядерный топливный цикл, сокращает количество отходов и продлевает использование ресурсов урана.
Обращение
Плутоний радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
Смертельно опасная радиоактивность: Плутоний — одно из самых токсичных веществ, известных человечеству. Микроскопическая частица плутония-239, попавшая в лёгкие при вдыхании, может вызвать рак лёгких десятилетия спустя. Даже количества в нанограммах представляют серьёзную опасность для здоровья.
Альфа-излучение: Плутоний испускает альфа-частицы, которые не могут проникнуть через кожу, но вызывают разрушительные повреждения при вдыхании или проглатывании плутониевой пыли. Альфа-частицы разрушают клеточную ДНК и вызывают рак, генетические мутации и лучевую болезнь.
Длительное воздействие: Период полураспада плутония-239 составляет 24,100 лет, поэтому он остаётся опасным в течение сотен тысяч лет. Попав в организм, он накапливается в костях и органах, вызывая пожизненное воздействие радиации.
Ядерная безопасность: Весь плутоний подлежит соблюдению самых строгих международных протоколов безопасности из-за возможности его использования для создания оружия. Транспортировка, хранение и обращение требуют нескольких уровней разрешений и вооружённой охраны.
Системы локализации: Работа с плутонием требует специализированных боксов с перчатками, поддержания отрицательного давления, постоянного контроля воздуха и аварийных бригад. Даже исследовательские количества требуют чрезвычайных мер безопасности.
Протокол при загрязнении: При любом подозрении на воздействие плутония требуется немедленная медицинская помощь специалистов, обученных радиационной медицине. Процедуры дезактивации сложны и требуют срочного выполнения.
Безопасность населения: Воздействие плутония на гражданское население предотвращается с помощью многочисленных нормативных барьеров, международных договоров и мер физической защиты, которые делают его одним из наиболее строго контролируемых материалов на Земле.
Краткие ответы
Плутоний (символ Pu) — элемент 94 в периодической таблице, представитель семейства актиноид в 7 периоде. Элемент, сделавший возможной атомную эпоху и питающий космические аппараты за пределами досягаемости Солнца. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 5f⁶ 7s²; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2.Плутоний плавится при 913 K (639.9 °C) и кипит при 3505 K (3231.9 °C).
У Плутоний нет стабильных изотопов, поэтому для него не существует стандартной атомной массы. Указанное значение 244 — массовое число наиболее долгоживущего известного изотопа.
Плотность Плутоний составляет 19.85 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Плутоний примерно в 19.9× тяжелее.
Электроотрицательность Плутоний по шкале Полинга составляет 1.28. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Плутоний был открыт в 1940 году Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. Назван в честь плутон, следующий от Нептуна дальше от Солнца.
Плутоний практически не встречается в природе на Земле — его получают в реакторе или ускорителе.
Да. Плутоний не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.