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什么是钚？钚是什么？钚有什么危害？

2011-03-30 10:5523610
中华化工网讯： 钚是一种放射性元素，是原子能工业的重要原料，可作为核燃料和核武器的裂变剂。投于长崎市和广岛市的原子弹，都使用了钚制作内核部分。其也是放射性同位素热电机的热量来源，常用于驱动太空船。钚是世界上第二毒的物质。钚（英语：Plutonium ，台湾译作钸）原子序数为94，元素符号是Pu，是一种具放射性的超铀元素。它属于锕系金属，外表呈银白色，接触空气后容易锈蚀、氧化，在表面生成无光泽的二氧化钚。钚有六种同素异形体和四种氧化态，易和碳、卤素、氮、硅起化学反应。钚暴露在潮湿的空气中时会产生氧化物和氢化物，其体积最大可膨胀70%，屑状的钚能自燃。它也是一种放射性毒物，会于骨髓中富集。因此，操作、处理钚元素具有一定的危险性。钚的毒性并不像以前普遍流传的那样严重，也决不是“地球上毒性第二的物质”，或其危害达到“微小粒致人死命”的程度。常见的氰化物、咖啡因、砷的毒性都比钚强。钚的致死量大约是5mg每公斤， 所以正常情况下需要超过百毫克才可致死。
 
　　钚的毒理作用主要在于其重金属性，侵入人体后会潜伏在人体肺部、骨骼等组织细胞中，破坏细胞基因从而导致癌症。
 
　　钚是天然存在于自然界中的质量最重的元素。它最稳定的同位素是钚-244，半衰期约为八千万年，足够使钚以微量存在于自然环境中。[1]
 
　　钚最重要的同位素是钚-239，半衰期为2.41万年，常被用制核子武器。钚-239和钚-241都易于裂变，即它们的原子核可以在慢速热中子撞击下产生核分裂，释放出能量、伽马射线以及中子辐射，从而形成核连锁反应，并应用在核武器与核反应炉上。
 
　　钚-238的半衰期为88年，并放出α粒子。它是放射性同位素热电机的热量来源，常用于驱动太空船。
 
　　钚-240自发裂变的比率很高，容易造成中子通量激增，因而影响了钚作为核武及反应器燃料的适用性。
 
　　分离钚同位素的过程成本极高又耗时费力，因此钚的特定同位素时几乎都是以特殊反应合成。
 
　　1940年，格伦·西奥多·西博格和埃德温·麦克米伦首度在柏克莱加州大学实验室，以氘撞击铀-238而合成钚元素。麦克米伦将这个新元素取名Pluto（意为冥王星），西博格便开玩笑提议定其元素符号为Pu（音类似英语中表嫌恶时的口语“pew”）。科学家随后在自然界中发现了微量的钚。二次大战时曼哈顿计划则首度将制造微量钚元素列为主要任务之一，曼哈顿计划后来成功研制出第一个原子弹。1945年7月的第一次核试验“三一原子弹”，以及第二次、投于长崎市和广岛市的“胖子原子弹”，都使用了钚制作内核部分。关于钚元素的人体辐射实验研究并在未经受试者同意之下进行，二次大战期间及战后都有数次核试验相关意外，其中有的甚至造成伤亡。核能发电厂核废料的清除，以及冷战期间所打造的核武建设在核武裁减后的废用，都延伸出日后核武扩散以及环境等问题。非陆上核试验也会释出残余的原子尘，现已依《部分禁止核试验条约》明令禁止。
钚的基部属性
 
　　
名称 钚（Pu）
系列 锕系元素
周期，元素分区 3，7，f
类型 金属
外表 银白色
　　原子属性
 
　　
原子量 [244]
原子半径（计算值） 159 pm
范德华半径 187±1 pm
氧化态 ＋4（＋3、＋5、＋6、＋7）
负电性 1.28（鲍林标度）
核外电子排布 [氡]5f6 7s2（2-8-18-32-24-8-2）
电离能 584.7 KJ/mol
晶体结构 单斜晶系。单斜晶型（钚α和钚β）、斜方晶型（钚γ）、面心立方晶型（钚δ）、体心四方晶型（钚δ'）、体心立方晶型（钚ε）。
晶胞参数 a=618.3 pm

 		 b=482.2 pm

 		 c=1096.3 pm

 		 α=90°

 		 β=101.790°

 		 γ=90°
 
　　物理属性
 
　　
性质 固体、放射性、顺磁性
接近室温密度 19.816 g/cm^3
熔点时液体密度 16.63 g/cm^3
熔点 639.4℃（912.5K）
沸点 3228℃（3505K）
摩尔体积 12.32 cm^3/mol
熔化热 2.82 kJ/mol
汽化热 333.5 kJ/mol
声速 2260 m/s（293.15K）
比热 35.5 J/（kg·K）
电阻率 1.460 µΩ·m
热导率 6.74 W/（m·K）
杨氏模量 96 GPa
剪切模量 43 GPa
泊松比 0.21
 

物理性质

　　钚和多数金属一样具银灰色外表，又与镍特别相似，但它在氧化后会迅速转为暗灰色（有时呈黄色或橄榄绿）。[2][3]钚在室温下以α型存在，是元素最普遍的结构型态（同素异形体），质地如铸铁般坚而易脆，但与其他金属制成合金后又变得柔软而富延展性。钚和多数金属不同，它不是热和电的良好导体。它的熔点很低（640 °C），而沸点异常的高（3327 °C）。[2]
 
　　钚最普遍释放的游离辐射类型是α粒子发射（即释放出高能的氦原子核）。[4]最典型的一种核子武器核心即是以5公斤（约12.5×10^24个）钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年，故其每秒约有11.5×10^12个钚原子产生衰变，发射出5.157 MeV的α粒子，相当于9.68瓦特能量。α粒子的减速会释放出热能，使触摸时感觉温暖。[5]
 
　　钚在室温时的电阻率比一般金属高很多，而且钚和多数金属相反，其电阻率随温度降低而提高。但近期研究指出，当温度降至100K以下时，钚的电阻率会急遽降低。电阻率由于辐射损伤，会在20K之后逐渐提高，速率因同位素结构而异。
 
　　钚具有自发辐射性质，使得晶体结构产生疲劳，即原有秩序的原子排列因为辐射而随时间产生紊乱。[6]然而，当温度上升超过100K时，自发辐射也能导致退火，削弱疲劳现象。[7]
 
　　钚和多数金属不同：它的密度在熔化时变大（约2.5%），但液态金属的密度又随温度呈线性下降。另外，接近熔点时，钚的液态金属具有很高的黏性和表面张力（相较于其他金属）。[6]
 

同素异形体

　　在一般情况下，钚有六种同素异形体，并在高温、限定压力范围下有第七
  

钚因周围压力变化而有六种同素异形体

种（zeta， ζ）存在。[8]这些同素异形体的内能相近，但拥有截然不同的密度和晶体结构。因此钚对温度、压力以及化学性质的变化十分敏感，各同素异形体的体积并随相变而具有极大差异性。[6]密度因同素异形体而异，范围自16.00 g/cm^3到19.86 g/cm^3不等。[9]
 
　　诸多同素异形体的存在，造成钚的状态易变，使钚元素的制造变得非常困难。例如，α型存在于室温的纯钚中。它和铸铁有许多相似加工后性质，但只要稍微提高温度，便会转成具有可塑性和可锻造性的β型。[10]造成钚复杂相图的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型属于低对称性的单斜结构，因此促成它的易碎性、强度、压缩性及低传导性。
 

核分裂

　　钚是一种具放射性的锕系金属。它的5f电子是离域和定域之间的
  

电解法精炼的武器级钚元素环状物

过渡界线；钚因此常被认为是最复杂的元素之一。[11]它的同位素钚-239是三个最重要的易裂变同位素之一（另外二者为铀-233和铀-235）；钚-241也具有高度易裂变性。所谓的具“易裂变性”（fissile），是指同位素的原子核受到慢中子撞击后，能够产生核分裂，并另释放出足以支持核连锁反应、进一步促使原子核分裂的中子。
 
　　环状金属钚重5.3公斤，直径约11厘米，足够制作一枚核弹。它的形状有助于维系临界安全。
 

同位素

　　钚有二十种放射性同位素。在自然界中只找到两种钚同位素，一种是从氟碳铈镧矿中找到的微量钚-244，已知钚的同位素中寿命最长的是钚-244，半衰期是8.26×10^7年，它具有足够长的半衰期，可能是地球上原始存在的。另一种是从含铀矿物中找到的钚-239，是铀238吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通过人工核反应合成的。
 
　　其中寿命最长的有钚-244（半衰期为8080万年）、钚-242（半衰期为373300年）及钚-239（半衰期为24110年）。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。钚也有八种亚稳态，但状态并不稳定、半衰期都不超过一秒。[4]
 
　　钚的同位素的质量数范围从228到247不等。其中质量数低于钚-244（最稳定的同位素）的同位素，主要的衰变方式是自发裂变和α衰变，衰变产物通常生成铀（92个质子）和镎（93个质子）的同位素（忽略裂变过程产生之二子核的大范围）。质量数大于钚-244的同位素则以β衰变为主要衰变方式，衰变产物多为镅（95个质子）。钚-241是镎衰变系的母同位素，透过β粒子或电子放射衰变成镅-241。[4][12]
 
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