What is 钚?
钚 (symbol Pu) is element 94 on the periodic table, a 锕系元素 in period 7. The element that made the atomic age possible and powers spacecraft beyond the Sun's reach. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示钚在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 155 pm — that is 0.155 nm, so about 3226 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
钚 is liquid over a 2592 K window, from 913 K to 3505 K.
故事
The element that made the atomic age possible and powers spacecraft beyond the Sun's reach.
格伦·T·西博格、埃德温·麦克米伦、约瑟夫·W·肯尼迪和亚瑟·沃尔在加利福尼亚大学伯克利分校于1940年末至1941年初发现了钚。这一发现将彻底改变世界历史进程,并结束第二次世界大战。
氘核轰击:1940年12月14日,研究团队在伯克利的60英寸回旋加速器中使用氘核(重氢原子核)轰击铀-238。他们制造出了镎-238,随后镎-238衰变成一种原子序数为94的未知元素。
化学分离:西博格在1941年初开展的杰出化学研究成功分离并鉴定出94号元素。他们发现这种元素像铀-235一样具有裂变性,但可以更容易地与铀进行化学分离——这对武器生产而言是至关重要的优势。
战时保密:这一发现立即被列为最高机密。曼哈顿计划意识到,与浓缩铀-235相比,钚可能为核武器制造提供更容易的途径,于是在华盛顿州汉福德建造了大型生产反应堆。
三位一体试验:1945年7月16日,世界上第一次核武器试验在新墨西哥州进行,使用的是钚内爆装置。三周后,一枚类似的钚炸弹被投向日本长崎,结束了第二次世界大战。
行星主题:发现者沿用了镎(海王星)的命名模式,以矮行星冥王星为94号元素命名为“钚”。鉴于冥王星与冥界的关联,这个名称显得尤其贴切,也反映了钚的破坏性潜力。
科学成就:格伦·西博格因发现钚和其他超铀元素,于1951年获得诺贝尔化学奖。他的工作确立了锕系元素系列,并彻底改变了我们对重元素化学的理解。
原子时代的开始:钚的发现标志着原子时代真正的开始。它同时推动了核武器和核能的发展,从根本上改变了国际关系、军事战略和能源生产,并影响了此后所有世代。
应用
核反应堆燃料:钚-239是核能发电最重要的裂变材料之一。含钚混合氧化物(MOX)燃料在为全球数百万家庭提供清洁电力的同时,也为回收核废料提供了可持续方式。
快中子增殖反应堆:先进反应堆设计同时将钚用作燃料和增殖材料,有望在消耗现有核废料的同时,提供数百年的清洁核能。俄罗斯、中国和印度等国家运行着以钚为燃料的快堆。
放射性同位素热电发生器(RTG):钚-238为人类一些最伟大的太空成就提供动力,包括“旅行者”探测器(目前已进入星际空间)、“好奇号”和“毅力号”火星车,以及前往冥王星的“新视野号”任务。这些RTG能在严酷的太空环境中提供数十年可靠的电力。
深空任务:钚的长半衰期和高能量密度使其成为火星以外任务不可替代的能源,因为在那里太阳能电池板会变得无效。未来前往外行星和星际空间的任务都依赖钚能源。
心脏起搏器:钚-238曾为早期心脏起搏器提供动力,使患者能够获得超过20年的可靠供电。尽管较新的电池技术已基本取代了它们,一些长寿命医疗植入物仍使用钚能源。
医学研究:先进医学研究会使用受控数量的钚同位素来了解辐射效应并开发新的癌症治疗方法,但这需要最高级别的安全规程。
基础研究:钚独特的核性质使其成为研究核裂变、聚变反应和重原子核行为的重要材料。这些研究推动了我们对恒星核合成以及宇宙中重元素起源的理解。
中子源:钚-铍中子源用于研究反应堆、中子活化分析,以及石油工业中的测井,以定位地下资源。
核燃料回收:在法国和日本等拥有先进核能计划的国家,从乏核燃料中提取的钚会被回收,用于制造新的MOX(混合氧化物)燃料,从而减少核废料并延长铀资源的使用期限。
研究实验室标准:微量钚同位素作为核实验室中的参考标准,用于校准检测设备和研究锕系元素化学。
NASA任务:钚-238是深空任务唯一可行的能源。NASA有限的钚供应为火星车和外行星探测器等关键任务提供动力,使其在太空探索中的价值超过黄金。
核化学:研究设施使用钚研究超铀元素化学、核衰变过程以及重原子核的基本性质。
中子活化分析:钚-铍中子源有助于分析地质学、考古学和材料科学中材料的组成。
重要提示:所有钚应用都受到国际核主管机构的严格监管。由于钚具有极强的放射性和潜在武器用途,不存在消费领域的用途。
来源
0 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 0% of elements
微量天然形成:钚本质上是人工合成的,但在非洲加蓬等地的铀矿床中,已经检测到极其微量的钚(以万亿分率计)。这些痕量钚通过极为罕见的天然核反应形成,即铀捕获宇宙射线产生的中子,或发生自发裂变。
铀嬗变:几乎所有钚都在核反应堆中人工生产:铀-238吸收中子后发生β衰变。这一过程会在任何以铀为燃料的反应堆中自然发生,因此钚是核能发电的副产物。
受控生产:专门的生产反应堆可以通过精确控制中子通量和燃料照射时间进行优化,以最大限度地生产钚。钚的质量和同位素组成高度取决于这些生产参数。
全球储量:全球约有500公吨钚,其中大部分是核能发电的副产物。这使钚成为地球上受到最严密监测和保护的材料之一。
武器级与反应堆级:钚的质量差异很大——武器级钚(>93% Pu-239)需要特殊生产技术,而反应堆级钚含有多种同位素,不太适合制造武器,但非常适合发电。
MOX燃料生产:法国等国家会对乏核燃料进行再处理,提取钚并将其回收制成新燃料,从而建立封闭式核燃料循环,减少废料并延长铀资源的使用期限。
处理
钚 具有放射性。 It has no stable isotope — every nucleus decays. 处理时需要适当的屏蔽和许可。
致命的放射性:钚是人类已知毒性最强的物质之一。吸入肺部的钚-239微小颗粒可能在数十年后导致肺癌。即使是纳克级的数量也会造成严重健康风险。
α辐射:钚会发射无法穿透皮肤的α粒子,但如果吸入或摄入钚尘,就会造成毁灭性损伤。α粒子会破坏细胞DNA,导致癌症、基因突变和放射病。
长期暴露:钚-239的半衰期为24,100年,这意味着它会在数十万年内持续具有危险性。一旦进入体内,它会在骨骼和器官中聚集,造成终身辐射暴露。
核安全:由于钚具有潜在武器用途,所有钚都必须遵守最高级别的国际安全协议。运输、储存和处理需要多级授权和武装安保。
密封系统:处理钚需要专用手套箱、负压密封系统、持续空气监测和应急响应团队。即使是研究用量,也需要采取极其严格的安全措施。
污染处置规程:任何疑似钚暴露事件都需要立即接受受过放射医学专业训练的人员提供的医疗救治。去污程序复杂且争分夺秒。
公众安全:通过多重监管屏障、国际条约和实体安保措施,可以防止平民接触钚,使其成为地球上受控制最严格的材料之一。
快速回答
钚 (symbol Pu) is element 94 on the periodic table, a 锕系元素 in period 7. The element that made the atomic age possible and powers spacecraft beyond the Sun's reach. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f⁶ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 electrons respectively.钚 melts at 913 K (639.9 °C) and boils at 3505 K (3231.9 °C).
钚 has no stable isotope, so it has no standard atomic weight. The figure quoted, 244, is the mass number of its longest-lived known isotope.
钚 has a density of 19.85 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钚 is about 19.9× heavier.
钚 has a Pauling electronegativity of 1.28. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
钚 was discovered in 1940 by Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. It is named after pluto, next out from Neptune.
钚 does not occur naturally on Earth in any meaningful quantity — it is made in a reactor or an accelerator.
Yes. 钚 has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.