Plutoni

Plutoni, 94Pu
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Plutoni, Pu
Phiên âm	/pluːˈtoʊniəm/ (ploo-TOE-nee-əm)
Hình dạng	Trắng bạc
Plutoni trong bảng tuần hoàn
Sm ↑ Pu ↓ (Uqq) Neptuni ← Plutoni → Americi
Số nguyên tử (Z)	94
Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar)	(244)
Phân loại	họ actini
Nhóm, phân lớp	n/a, f
Chu kỳ	Chu kỳ 7
Cấu hình electron	[Rn] 5f6 7s2
mỗi lớp	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	912.5 K ​(639.4 °C, ​1182.9 °F)
Nhiệt độ sôi	3505 K ​(3228 °C, ​5842 °F)
Mật độ	19.816 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 16.63 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	2.82 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	333.5 kJ·mol−1
Nhiệt dung	35.5 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	7, 6, 5, 4, 3 ​Ôxit lưỡng tính
Độ âm điện	1.28 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 584.7 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 159 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	187±1 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Đơn nghiêng
Vận tốc âm thanh	2260 m·s−1
Độ giãn nở nhiệt	46.7 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	6.74 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 0 °C: 1.460 µ Ω·m
Tính chất từ	Thuận từ[1]
Mô đun Young	96 GPa
Mô đun cắt	43 GPa
Hệ số Poisson	0.21
Số đăng ký CAS	7440-07-5
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Plutoni
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 238Pu Vết 87,74 năm α 5.5 234U SF 204.66[2] (nhiều) 239Pu Vết 2.41 × 104 năm α 5.157 235U SF 207.06 (nhiều) 240Pu Vết 6.5 × 103 năm α 5.256 236U SF 205.66 (nhiều) 241Pu Tổng hợp 14,29 năm β- 0.02078 241Am α – 237U 242Pu Tổng hợp 3.73 × 105 năm α 4.984 238U SF 209.47 (nhiều) 244Pu Vết 8.08 × 107 năm α 4.666 240U SF – (nhiều) β−β− – 244Cm

Plutoni là một nguyên tố hóa học hiếm, có tính phóng xạ cao với ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94. Nó là một kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị oxy hóa. Nguyên tố này thông thường biểu hiện (exhibit) 6 dạng thù hình (allotrope) và bốn trạng thái oxy hóa. Nó phản ứng với cacbon, halogen, nitơ và silicon. Khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó tạo thành các oxide và hydride làm thể tích các mẫu giãn nở lên đến 70%, hay nói cách khác là nó bong ra thành dạng bột có thể tự bốc cháy. Nó cũng là một chất độc phóng xạ mà tích tụ trong tủy xương. Những đặc tính này và các tính chất khác khiến cho việc xử lý plutoni trở nên nguy hiểm.

Plutoni là nguyên tố nguyên thủy nặng nhất, đồng vị bền nhất của nó là plutoni-244 có chu kỳ bán rã khoảng 80 triệu năm đủ lâu để nguyên tố này có thể được tìm thấy ở dạng vết trong tự nhiên.^[3] Nhưng plutoni là sản phẩm phụ thường xuyên có mặt khi nguyên tử urani bị tách làm đôi trong lò phản ứng hạt nhân. Một số hạt hạ nguyên tử được tăng tốc trong quá trình phân hạch biến đổi urani thành plutoni.^[4]

Đồng vị quan trọng nhất của plutoni là plutoni-239, với chu kỳ bán rã 24.100 năm. Plutoni-239 là đồng vị có ích nhất trong các vũ khí hạt nhân. Plutoni-239 và plutoni-241 có khả năng phân hạch, có nghĩa là các nguyên tử của nó có thể tách ra bằng cách bắn phá bởi neutron nhiệt chuyển động chậm giải phóng năng lượng, tia gamma và nhiều neutron hơn. Các neutron này sau đó có thể duy trì phản ứng hạt nhân dây chuyền, được ứng dụng trong các vũ khí hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân.

Plutoni-238 có chu kỳ bán rã 88 năm và phát ra các hạt alpha. Nó là một nguồn cung cấp nhiệt trong các máy phát điện hạt nhân, một loại động cơ cung cấp điện cho tàu không gian cỡ nhỏ. Plutoni-240 có tỷ lệ phân hạch tự phát cao, làm tăng thông lượng neutron của bất kỳ mẫu nào. Sự có mặt của plutoni-249 hạn chế khả năng sử dụng của các mẫu trong vũ khí hạt nhân hoặc nhiên liệu hạt nhân, và xác định cấp của nó. Các đồng vị của plutoni đắt và khó tách, vì thế các đồng vị riên biệt thường được sản xuất trong các lò phản ứng chuyên dụng.

Plutoni được một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Glenn T. Seaborg và Edwin McMillan tổng hợp đầu tiên năm 1940 tại Đại học California, Berkeley bằng cách bắn phá urani-238 bởi hạt nhân deuteron. McMillan đặt tên nguyên tố mới theo tên Pluto (Sao Diêm Vương), và Seaborg đề nghị ký hiệu nó là Pu. Sau đó, một lượng nhỏ plutoni ở dạng vết cũng được phát hiện trong tự nhiên. Việc tạo ra plutoni được sử dụng với lượng lớn lần đầu tiên trong phần chính của dự án Manhattan suốt chiến tranh thế giới thứ 2, để tạo ra bom nguyên tử đầu tiên. Vụ thử hạt nhân đầu tiên, "Trinity" (tháng 7 năm 1945), và bom nguyên tử lần thứ 2 được sử dụng để phá hủy thành phố (Nagasaki, Nhật Bản tháng 8 năm 1945), "Fat Man", cả hai lõi đều dùng plutoni-239. Các nghiên cứu thí nghiệm ảnh hưởng của plutoni đối với con người đã được tiến hành mà không có sự đồng ý trước, và một số tai nạn (criticality accident), gây chết người đã xảy ra trong và sau chiến tranh. Chất thải plutoni từ các nhà máy điện hạt nhân và từ việc giải trừ vũ khí hạt nhân được tạo ra trong suốt thời kỳ chiến tranh lạnh là những mối nguy hiểm cho môi trường. Các nguồn khác của plutoni trong môi trường như bụi phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân trên mặt đất (hiện nay đã bị cấm).

1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
2. ^ BNL-NCS 51363, vol. II (1981), pages 835ff
3. ^ Hoffman, D. C.; Lawrence, F. O.; Mewherter, J. L.; Rourke, F. M. (1971). “Detection of Plutonium-244 in Nature”. Nature. 234: 132–134. doi:10.1038/234132a0.
4. ^ "Contaminated Water Escaping Nuclear Plant, Japanese Regulator Warns". The New York Times.