（冥王星nium），是一種放射性金屬元素，化學符號是Pu，在元素周期表中原子序數為94，屬于錒系元素，原子量為242。钚是銀白色固體金屬，熔點為639.5 °C，沸點較高，為3235 °C，钚從室溫到熔點有六種同素異形體。钚有四種氧化數，化學性質活潑，能與水和水蒸氣反應，在空氣中會被緩慢氧化，與氫、氧、氮、碳等可以形成相應的氫化物、氧化物、氮化物和碳化物等。钚暴露在潮濕的空氣中會產生氧化物和氫化物，其體積最大可膨脹70%，屑狀的钚能自燃。細屑狀的金屬钚易燃，需要保存在惰性氣體中。钚具有放射性和毒性，長期接觸钚會導致人體免疫系統障礙，從而引發免疫系統疾病。钚還可能致癌，被國際癌癥研究機構列為一類致癌物。钚是重要的核工業原料，可以用來制造原子彈、建造核電站等。
歷史
1940年12月，美國化學家、諾貝爾獎得主西博格（G.T.Seaborg）、肯尼迪（J.W.Kennedy）、麥克米倫（E. M. McMillan）和華爾（A.C.Wahl）等人首次在加利福尼亞大學伯克利分校及勞倫斯伯克利國家實驗室使用回旋加速器裝置，用加速的氘[dāo]核撞擊鈾[yóu]-238合成了94號元素钚（Pu）。在這之前，西博格等人首先發現的是镎[ná]（Np），镎-238經??衰變形成了原子量為238，半衰期為87.7年的新元素钚，钚是繼镎之后發現的第二個超鈾。由于鈾元素的命名是以行星天王星命名的，因此作為超鈾元素的Np和Pu分別以海王星（Neptune）和冥王星（Pluto）命名。
1941年初，西博格研究小組發現了钚最重要的同位素钚-239，由于各種能量的中子都能引起钚-239的裂變，因此它可以作為核燃料。
1941年3月，格倫·西博格向《物理評論》雜志提交了一篇與钚的發現相關的論文，但由于钚的同位素钚-239能發生核裂變，有助于研究原子彈，故而論文在發表前被撤回。出于戰時的安全考慮，新元素钚的發現和命名被推遲到第二次世界大戰結束后才公布。
分布情況
钚是天然存在于自然界中原子序數最大的元素，在自然界中可以找到痕量的钚-238、钚-239、钚-240和钚-244。1942年，西博格等人用共沉淀和氧化-還原循環法從400克瀝青鈾礦中分離出少量的钚-239，并以放射化學法進行鑒定，得出每克鈾中約含10?1?克钚的結果，首次證實了钚在自然界中是存在的。由于钚-239的半衰期與地球年齡相比是很短的，因此钚現有的存在量不是原生性的，而是鈾吸收自然界的中子再經過??衰變得到的。
美國科學家佩帕徳（D. F. Peppard）等人在使用萃取法處理鈾的殘余水溶液時發現，每1012份鈾濃縮液約含7份钚-239，之后他們研究了不同鈾礦的钚含量，結果發現盡管不同鈾礦的鈾含量不同，但是U/Pu比約為1011/1，這也表明钚是鈾生成的。
各種鈾礦的钚含量
1971年，美國科學家霍夫曼（D.C.Hoffman）從約85 kg的碳礦中分離出極少量的钚-244，經質譜法檢測得到2 × 10?個钚-244原子（約8 × 10?1? g），即每克氟碳鈰鑭礦約含有10?2? g的钚-244。钚-244是壽命最長的钚同位素，也是壽命最長的超鈾核素，半衰期約為八千萬年。
理化性質
物理性質
钚是一種放射性金屬元素，屬于系元素，是一種銀白色固體金屬。钚的密度為19.86 g/cm3，熔點為639.5 °C，沸點較高，為3235 °C。從室溫到熔點中間，钚存在六種同素異形體或晶體結構（分別為??、??、??、??、??’和??），加上液態和氣態，钚共存在八種狀態。室溫下，钚通常以??形式存在，這是钚元素最常見的結構形式，具有脆性。??钚具有立方晶系結構，延展性、柔韌性好，往純钚中摻雜其他金屬合金也能得到室溫穩定的??钚。與大多數金屬不同，钚不是熱和電的良導體。
不同結構钚的晶體結構及存在范圍如下：??钚具有單斜晶系晶體結構（<115 °C）、??钚具有體心單斜結構（115 °C~185 °C）、??钚具有正交晶體結構（185 °C~310 °C）、??钚具有面心立方結構（310 °C~452 °C）、??’钚具有體心四方結構（452 °C~480 °C）、??钚具有體心立方結構（480 °C~640 °C）。
化學性質
氧化腐蝕
钚是一種銀白色金屬固體，在空氣和室溫下會被迅速氧化，表面生成一層致密的Pu?O氧化層，減緩钚的腐蝕速率。除此之外，在钚金屬和Pu?O氧化層之間還有一層很薄的Pu?O?層，在一定條件下，钚表面的Pu?O氧化層會轉化為Pu?O?層。
氫化腐蝕
钚金屬除了發生在表面的氧化反應，還會發生劇烈的氫化反應。钚的氫化反應通常分為四個階段，分別為：孕育期、聚集（形核）期、塊體氫化和結束期。氫化的孕育期有六個過程：氫氣在钚氧化物表面的吸附過程；氫進入钚氧化層的次表面；氫在Pu?O和Pu?O?層中的擴散溶解；氫由Pu?O?層進入Pu?O?/Pu界面；氫在金屬钚中的溶解擴散；氫化物的初步形成。理論研究表明，钚表面的Pu?O外層是钚氫化的保護屏障，但Pu?O?層無法阻擋氫的腐蝕。氫化反應進入聚集期后，金屬表面可以開始觀察到氫化物的形成，之后氫化物的成核速率越來越快。到了塊體氫化階段，可以觀察到金屬表面完全被氫化物覆蓋，此時的氫化速率由氫氣的壓力和溫度決定。最后，隨著金屬（或氫氣）被消耗完，氫化反應進入結束期。
钚的水解絡合
钚的水溶液化學具有一定的復雜性，钚的水溶液具有五種價態，分別為Pu(III)（Pu3?，藍紫色）、Pu(IV)（Pu??，黃棕色）、Pu(V)（PuO??，粉紅色）、Pu(VI)（PuO?2?，橙棕色）、Pu(VII)（PuO?3?，綠色），其中七價的離子比較稀有。不同價態的钚水溶液具有不同的顏色，钚水溶液的顏色通常取決于钚的氧化數和與各種配體的絡合程度，如下圖所示。
PuO?在水溶液中不穩定，會不均衡的變成Pu??和PuO2?，PuO2?在PH為4.5的水溶液中是可以穩定存在的。由于各種钚離子之間相互轉化的氧化還原電位相近，同一水溶液中可能同時存在四種钚的氧化態：Pu3?、Pu??、PuO??和PuO?2?。
钚在水溶液中的水解反應
钚的水解反應是指钚與水中OH?的反應，不同價態的钚離子具有不同的水解方式和解離常數，其中四價钚的水解能力最強，具體水解情況如下：
钚與無機陰離子的絡合反應
钚與硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、氟離子、氯離子、溴離子等無機陰離子可以形成絡合物，在水溶液中，钚絡合物的穩定程度順序如下：
Pu??>PuO?2?>Pu3?>PuO??
钚與無機陰離子的絡合物可能形態如下。
Pu(III)：PuCl2?，PuCl??，PuBr2?，PuBr??，Pu(NO?)2?，Pu(NO?)??，Pu(NO?)?(aq)，Pu(SO?)?，Pu(HSO?)??
Pu(IV)：PuF3?，PuCl3?，PuCl?2?，Pu(NO?)3?，Pu(NO?)?2?，Pu(NO?)??，Pu(CO?)2?
Pu(VI)：PuO?Cl?，PuO?Cl?
同位素
钚已知的同位素有20種，全部具有放射性，質量數范圍從228到247不等。钚沒有穩定的同位素，钚的同位素中壽命最長的是钚-244，半衰期為8080萬年，這也是所有超鈾中半衰期最長的核種，其次是钚-242，半衰期為373300年，以及钚-239，半衰期為24110年，其余所有同位素的半衰期都低于7000年。
钚的同位素中質量數低于钚-244的，主要衰變方式為自發的裂變和??衰變，衰變的產物通常為鈾和镎的同位素；質量數高于钚-244的同位素主要的衰變方式為??衰變，衰變產物多為的同位素。钚-241是镎衰變系的母同位素，通過??衰變的方式變成镅-241。
钚-239是钚最重要的人造同位素，通常是由天然鈾元素通過??衰變合成，表達式如下：
23?U(n,??)→23?U(??)→23?Np(??)→23?Pu
首先是鈾-238俘獲中子形成鈾-239，之后鈾-239發生??衰變形成镎-239，镎再發生一次??衰變形成钚-239。
钚-238是另一種重要的钚同位素，半衰期為87.7年，由加速的氘核撞擊鈾-238合成。
幾種常見同位素的信息：
钚化合物
钚氟化物
三氟化钚為藍紫色固體，熔點為1425±3℃；在沒有鋁或鋯離子存在時，很難溶于酸中。
钚氧化物
钚的氧化物有一氧化钚（PuO）、二氧化钚（PuO?）和三氧化二钚（Pu?O?）等，其中最常見的是二氧化钚和三氧化二钚。
一氧化钚最早是在1949年作為一種雜質相被發現的，并通過粉末X射線衍射的方法確定了結構。一氧化钚可由三氯化钚（PuCl?）和鈣以及鈣的氧化物反應生成，反應的表達式如下：
钚被空氣氧化表面會生成一層致密的Pu?O氧化層，在钚金屬和Pu?O氧化層之間還有一層很薄的Pu?O?層，一定條件下，二氧化钚（PuO?）可以轉化為三氧化而钚（Pu?O?）。
二氧化钚（PuO?）是钚鈾混合氧化物（MOX）以及先進核燃料的關鍵組分，它的熱物理數據對理解核燃料的高溫行為非常重要。
钚氫化物
钚的氫化物可以由金屬钚與氫氣發生劇烈反應生成，钚的氫化物可以自燃，容易引起熱和擴散的危險。反應的表達式如下：
钚氮化物
氮化钚（PuN）可以通過氫化钚粉末和和氮氣通過硝化反應制備，反應的表達式如下：
由于氮化钚具有高熔點、優越的燃料密度和導熱系數，因此被用作第四代反應堆的主要燃料。
制備方法
镅-241（Am-241）輻射法生產钚-238
钚-238（Pu-238）具有高的能量釋放（570 W/Kg），是一種長期熱源（半衰期為88年），具有較低的輻射，因此是需求量最高的用于發熱的放射性元素之一，有較大的市場需求。
镅的生產數量較大，累積速率約為700 kg/年。通過在反應器中輻射镅-14（Am-241）可以獲得钚-238。由镅-241向钚-238的核素轉化鏈如下：
由镅-241生產钚-238的轉化鏈較短，镅-241通過強烈的??輻射衰變為镅-242，镅-242通過??衰變為鋦-242（Cm-242），最后鋦-242經過??衰變為钚-238。
镎輻射法生產钚-238
通過在反應器中照射镎-237可以生產钚-238，反應鏈如下：
由镎-237向钚-238的核素轉化鏈比镅更短，整個過程分別經過了中子的??輻射捕獲反應、裂變反應以及??衰變。
還原钚氧化物
由金屬鈣還原钚氧化物可以制備金屬钚，反應的表達式如下：
該反應使用熔融的氯化鈣溶解萃取氧化鈣的反應產物，之后通過不互溶的鹽溶液定量分離兩中不互溶的熔融金屬相。最終，經過還原、分離所得塊狀金屬的生產效率可達99%。
其他方法
钚(IV)氟化物是通過將含有Pu(IV)的酸性溶液添加到氟化銨（NH?F）或氟化氫（HF）中制備。因此在減壓或惰性氣體條件下，通過熱分解銨钚(IV)氟化物可以制得三氟化钚（PuF?），之后用金屬鋰蒸氣將三氟化钚還原成金屬钚。
在惰性氣流下，將含钚的氟化鈉钚復鹽用金屬鈣還原可以得到金屬钚。
應用領域
制造核武器
同位素钚-239在超鈾元素中占有重要地位，它是核武器中的最重要的裂變成分，也是發展核電工業的關鍵材料。钚-239是易裂變核素，钚-239在裂變過程中，將原子核結合在一起的結合能中的一小部分被釋放為大量的電磁能核動能，之后迅速轉化為熱能。1kg钚-239的裂變可以產生相當于21000噸三硝基甲苯（TNT）的爆炸，相當于2200萬千瓦時的熱能。最典型的一種核武器核心即是以5公斤（約12.5×102?個）钚原子構成。
1945年7月16日，世界上第一顆原子彈“小玩意”（The Gadget）以钚-239為燃料，在新墨西哥州索科羅附近爆炸；1945年8月9日，使用钚作為內核的核航彈“胖子原子彈”（Fat Man）被投在了日本長崎市。
能源與熱源
钚-238（Pu-238）具有高的能量釋放（570 W/Kg），可以用于放射性發電機，是一種長期熱源（半衰期為88年）。使用钚-238作為熱電發生器可以為無人駕駛航天器以及星際探測器提供動力，例如，钚-238已經作為核電池的一部分用于阿波羅登月任務。
在醫療上，小的钚-238熱電池可以用作心臟起搏器的電源。一個標準的心臟起搏器中含有約160 mg的钚-238，可以規律的釋放出小的電脈沖（小于10 mW）促使心肌收縮。
用作核燃料
钚-239是易裂變核素，可被用作核燃料，使用钚元素作為核燃料的反應堆有重水堆、石墨氣冷堆、輕水堆和快中子堆等。钚-239和鈾-235一樣具有較高的熱中子裂變截面，因此可以在反應堆中代替鈾-235，核燃料中的濃縮鈾也可以用等量的钚替代。
钚的相關檢測方法
吸收光譜法測定钚的價態
由于不同價態钚的氧化還原電位之間的差值較小，因此钚在硝酸溶液中常以多種價態共存，最常見的價態有Pu(III)、Pu(IV)和Pu(VI)等。利用不同氧化數钚的吸收光譜可以確定溶液中钚的價態，使用的儀器是帶有50厘米液芯波導毛細管池的光纖光譜儀。
質譜、??譜結合法測定钚的年齡
使用質譜和??譜相結合的方法可以測定钚的年齡，钚年齡對于钚材料的適用特性和钚產品的屬性密切相關。通過測定钚的年齡，可以推測钚材料的用途和產品屬性等。
钚材料中除了有Pu-238、Pu-239、Pu-240和Pu-241等钚的同位素，還含有極少量的镅-241（Am-241）。在存儲過程中，钚材料中的Pu-241會自發的放射出一個電子衰變為镅-241，隨著時間的推移，钚材料中的Pu-241會不斷減少，Am-241的量則不斷累積，因此根據放射性衰變級聯衰變關系式，通過測定钚-241和镅-241的量就可以測定钚材料的年齡。
??譜法測定钚的年齡及豐度
根據所要測量的钚材料中的主要同位素Pu-238、Pu-239、Pu-240、Pu-241和Pu-242，以及镅-241（Am-241）和鈾-237（U-237）的??輻射強度，可以得出各核素的核數比。由于觀測到用于豐度、年齡計算的Pu-240、Am-241和U-237的主要??能線附近有Pu-239的非耦合峰（即沒有其他核素干擾），因此可以利用這些峰并結合一些其他數據的推算得到钚材料的年齡、豐度值。
離子色譜法測定钚的含量
钚在乏燃料中的含量是一項重要的數據，對核燃料的衡算和后處理有重要應用，使用離子色譜法和峰面積法可以測定核燃料元件中的钚。
在一定的色譜條件下，一定含量比值的钚鈾色譜峰面積的比值也是一定的。將相同含量的钚鈾色譜峰面積之比定義為校正因子f，則：
R(Pu/U)=ρ(Pu)/ρ(U)=A/f
其中，R(Pu/U)為钚相對鈾的含量；ρ(U)為樣品中鈾的質量濃度，單位為mg/L；ρ(Pu)為樣品中钚的質量濃度，單位為mg/L；A為樣品中钚鈾色譜峰面積之比。
安全事宜
健康危害
钚是具有放射性的核素，有毒，進入人體后主要沉積在肺、肝臟、骨骼等器官和組織。钚對人體的傷害主要是钚在衰變過程中釋放的??粒子對人體的內照射，可以導致肺癌、肝癌和骨肉瘤等，钚-239急性中毒會引起機體嚴重病變，慢性輻射損失的遠期效應是致癌和縮短壽命。長期接觸钚還可以導致機體免疫系統功能障礙以及免疫系統疾病等。
致癌效應
2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單初步整理參考中，钚被國際癌癥研究機構（IARC）列為一類致癌物。钚致癌的分子機制主要是衰變過程釋放的高傳能線密度??粒子對人體的內照射，這種輻射導致了脫氧核糖核酸雙鏈斷裂，難以修復，增加了細胞惡性轉化的概率。
钚致癌性的研究結果主要來自于前蘇聯馬雅克（Mayak）核工人隊列、英國塞拉菲爾德（Sellafield）隊列等人群。
調查結果顯示，钚致癌的發生率明顯高于其他因素導致的肺癌發生率。接觸钚的女性罹患肺癌、肝癌、骨肉瘤的致癌風險要高于男性。
非致癌效應
對馬雅克人群的追蹤隨訪結果顯示，曾經在馬雅克工作的工人由于長期接觸钚，出現了免疫系統紊亂的癥狀。對西伯利亞地區化工廠的钚接觸人群的研究結果也表明，在接觸钚十年后，半數以上的人員出現了免疫系統功能障礙。
遺傳效應
钚在衰變過程中釋放的??粒子可能對染色體造成多種損傷，包括染色體斷片、易位、非整倍體等。對塞拉菲爾德（Sellafield）隊列人群的追蹤隨訪結果顯示，該人群染色體易位率不斷增加；對馬雅克工人染色體端粒長度的研究結果表明，該人群相對端粒長度降低。
钚在衰變過程中釋放的??粒子還可能導致基因表達異常，導致機體發生各種慢性疾病。
防護
在可能受到钚輻射的空間作業時，要穿戴高密度聚乙烯（Tyvex）材料制成的防護服，用于防止個人皮膚或者穿戴的衣物受到污染。防護服雖然不能阻止??射線以外的輻射暴露，但是有助于防止輻射擴散到人身體上和進入身體。
在有可能產生氣體放射的操作中要做好呼吸防護，佩戴具有完整密封性和足夠保護系數的呼吸器。在操作過程中還要防止出現注射傷口，確保防護手套的完好性，如現場人員懷疑有注射傷口，應該立即向相關組織求助。
钚-238會產生熱量，由接觸到钚-238的可能時，需要使用隔熱手套。
消防
當钚發生火災時，除非火災發生在封閉的空間內，否則必須穿戴防護服，佩戴呼吸器才可以進行消防操作。氧化鎂砂是有效的钚滅火劑，燃燒的钚應該被覆蓋到盡可能深的地方。在使用氧化鎂砂滅火前，可以先用惰性氣體氬冷卻燃燒的钚。熔融鹽對小型的钚火災有效，當發生大型钚火災時，表面的熔融鹽可能因為生成的钚氧化物而膨脹破裂，從而使钚重新點燃。
存儲
钚的短期存儲應當以純金屬钚或二氧化钚的形式存儲于干燥、帶有惰性氣體的環境中。三氧化二钚或氫化钚等钚化合物在存儲前應當先轉化為二氧化钚，用于密封钚的一次和二次容器不應擔含有塑料等會因為輻射暴露而分解的材料。
钚-239的長期儲存是將金屬钚放置于由多個罐子包裝的密封罐中，當钚衰變時，密封罐內可能會積聚壓力，因此在存儲過程中需要對密封罐進行膨脹監控，從而在密封罐內的壓力增大或破裂前重新對钚進行包裝儲存。
由于钚-238具有較高的熱量釋放，因此需要包裝在特殊的容器中以便散熱。钚-238的儲存應當遠離易燃材料或受熱易降解材料，防止因此火災或發生爆炸。
相關事件
曼哈頓計劃
曼哈頓計劃是使用核裂變技術來制造原子彈的項目，1943年，美國在田納西州橡樹嶺建設的X-10石墨反應堆，這是世界上第一個生產Pu-239的反應堆。1945年7月16日，世界上第一顆以钚-239為燃料的核航彈在新墨西哥州索科羅附近爆炸；1945年8月9日，使用钚作為內核的原子彈“胖子原子彈”（Fat Man）被投在了日本長崎市。
冷戰時期的使用
在冷戰時期，蘇聯和美國都秘密儲備了大量的武器級钚元素，每年大約有20噸的钚作為核電工業的副產物被生產出來。冷戰結束之后，這些庫存的钚成為核擴散的焦點問題。2000年，美國和俄羅斯聯邦相互同意在2019年底前各自處置34噸武器級钚，將其變為商用核動力反應堆的混合鈾-钚氧化物（MOX）燃料。
醫學實驗
第二次世界大戰開始后，曼哈頓計劃聯合其他核武器研究計劃的科學家開始研究钚元素對動物及人體的影響。在動物試驗中，科學家們發現，當動物組織內含有每公斤數毫克的钚就能致死。在人體試驗的研究方面，科學家選擇的試驗對象為醫院內進入絕癥末期或者因為年齡、疾病使預期壽命低于十年的患者，并在他們的體內注射5微克的钚溶液。1945年7月，科學家發現钚在動物體內的擴散的危險程度高于鐳后，將人體試驗的钚注射量改為1微克。
雖然人體試驗是為了測定人體對钚的吸收速度，以制定钚相關工作的安全標準，但有十八名人體試驗對象是在不知情的情況下被注射了钚溶液。
參考資料 >