Плуто́ний (обозначается символом Pu; атомное число 94) — химический элемент 3-й группы 7-го периода периодической системы химических элементов, располагающийся в семействе актиноидов. В виде простого вещества представляет собой тяжёлый хрупкий высокотоксичный радиоактивный металл серебристо-белого цвета.
Для этого элемента характерны существенно отличающиеся от остальных элементов структурные и физико-химические свойства. Плутоний имеет семь аллотропных модификаций при определённых температурах и диапазонах давления: α, β, γ, δ, δ', ε и ζ. Может принимать степени окисления от +2 до +7, основными считаются +4, +5, +6. Плотность варьируется от 19,8 (α-Pu) до 15,9 г/см³ (δ-Pu).
Плутоний не имеет стабильных изотопов. В природе в следовых количествах присутствуют самый долгоживущий изотоп из всех трансурановых элементов 244Pu и его дочерний нуклид 240Pu, а также 239Pu и 238Pu. В окружающей среде находится преимущественно в виде диоксида (PuO2), который в воде менее растворим, чем песок (кварц). Нахождение элемента в природе настолько мало, что его добыча нецелесообразнаОтношение . См. раздел нахождение в природе..
Второй после нептуния (который был ошибочно «получен» в 1934 году группой Энрико Ферми; его первый изотоп 239Np синтезирован и идентифицирован в мае 1940 года Эдвином Макмилланом и Филипом Абельсоном) искусственный элемент, полученный в чрезвычайно маленьких количествах в конце 1940 года в виде изотопа 238Pu.
Первый искусственный химический элемент, производство которого началось в промышленных масштабах (в СССР с 1946 года в Челябинске-40 было создано предприятие по производству оружейного урана и плутония). США, а затем и СССР, были первыми странами, освоившими его получение.
Плутоний получают из природного изотопа урана U238. Общее количество плутония, хранящегося в мире во всевозможных формах, оценивалось в 2003 году в 1239 тонн.
Плутоний используется в производстве ядерного оружия (так называемый «оружейный плутоний»), топлива для ядерных реакторов гражданского и исследовательского назначения и в качестве источника энергии для космических аппаратов. В первой ядерной бомбе в мире, созданной и испытанной в 1945 году в США, использовался плутониевый заряд. Того же типа была и первая атомная бомба, испытанная СССР в 1949 году.
В таблице справа приведены основные свойства для α-плутония. Данная аллотропная модификация является основной для плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.
Номера CAS: для плутония неспецифического состава; для 238Pu; для 239Pu; для 240Pu.
История
Открытие
Энрико Ферми вместе со своими сотрудниками в Университете Рима в 1934 году сообщил, что они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94. Ферми назвал этот элемент гесперием, сделав таким образом предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Он придерживался этой позиции и в своей Нобелевской лекции в 1938 году, однако, узнав об открытии Отто Ганом и Фрицем Штрассманом деления ядра, был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году, примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Работа немецких учёных показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.
Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Гленна Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 (238U3O8) дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14—22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма (50,8 мкм), была произведена 14 декабря 1940 года. Сравнивая образцы, полученные и выдержанные в течение 2,3 суток, с выделенной фракцией чистого нептуния, учёные обнаружили существенную разницу в их альфа-активностях и предположили, что её рост через двое суток обусловлен влиянием нового элемента, являющегося дочерним по отношению к нептунию. Дальнейшие физические и химические исследования продолжались два месяца. В ночь с 23 на 24 февраля 1941 года был проведён решающий эксперимент по окислению предполагаемого элемента с помощью пероксиддисульфат-ионов и ионов серебра в качестве катализатора, который показал, что нептуний-238 спустя два дня претерпевает бета-минус-распад и образует химический элемент под номером 94 в следующей реакции:
(d,2n) → → (β−)
Существование нового химического элемента было подтверждено экспериментально Гленном Т. Сиборгом, Эдвином. М. Макмилланом, Джозефом У. Кеннеди и Артуром Ч. Валем благодаря изучению его первых химических свойств. Было выяснено, что плутоний может находиться, по крайней мере, в двух степенях окисления Для того, чтобы считать новый химический элемент открытым, следовало доказать, что он обладает новыми свойствами: как физическими, так и химическими. Предположения о свойствах плутония высказывались ещё в мае 1940 года Льюисом Тернером.
Немного позже было установлено, что этот изотоп является неделящимся (пороговым), а следовательно, неинтересным для дальнейших исследований в военных целях, так как пороговые ядра не могут служить основой цепной реакции деления. Поняв это, физики-ядерщики США направили свои усилия на получение делящегося изотопа-239, который по расчётам должен был быть более мощным источником атомной энергии, чем уран-235. В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок, подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами. На протяжении двух суток длилась бомбардировка урановых ядер, в результате чего были получены приблизительно 0,5 мкг плутония-239. Появление нового элемента, как и было предсказано теорией, сопровождалось потоком альфа-частиц.
28 марта 1941 года проведённые эксперименты показали, что 239Pu способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, весьма значительно превышающим сечение для 235U, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, то есть позволяют рассчитывать на осуществление цепной ядерной реакции. С этого момента были начаты опыты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительства реакторов для его наработки. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония — в 1943 году.
В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 года, был описан метод получения и изучения элемента. Однако публикация этой работы была остановлена после того, как были получены данные, что новый элемент может быть использован в ядерной бомбе. Публикация работы произошла лишь спустя год после Второй мировой войны из соображений безопасности и с некоторыми корректировками.
В нацистской Германии исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Арденне были разработаны методы получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нём он указывал на теоретическую возможность изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана.
Происхождение названия
В 1930 году была открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл — астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна он пришёл к заключению, что за Нептуном в Солнечной системе должна быть ещё одна, девятая планета, располагающаяся от Солнца в 40 раз дальше, чем Земля. Элементы орбиты новой планеты были им рассчитаны в 1915 году. Плутон был обнаружен на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 года астрономом Клайдом Томбо в обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе (США). Планета была открыта 18 февраля 1930 года. Название планете было дано одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда Венецией Бёрни. В греческой мифологии Аид (в римской — Плутон) является богом царства мёртвых.
Первое печатное упоминание термина плутоний датируется 21 марта 1942 года. Название 94-му химическому элементу было предложено Артуром Валем и Гленном Сиборгом. В 1948 году Эдвин Макмиллан предложил назвать 93-й химический элемент нептунием, так как планета Нептун — первая за Ураном. По аналогии в честь второй планеты за Ураном, Плутона, был назван плутоний. Открытие плутония произошло через 10 лет после открытия карликовой планеты (примерно такой же отрезок времени понадобился на открытие Урана и на именование 92-го химического элемента)С 24 августа 2006 года по решению Международного астрономического союза Плутон более не является планетой Солнечной системы.
Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше. Для обозначения элемента он в шутку привёл две буквы «Pu» — это обозначение представилось ему наиболее приемлемым в периодической таблицеПо сообщению источника, во время интервью Сиборг сказал: «Очевидным выбором для меня были две буквы Pl, однако я в шутку предложил обозначить элемент Pu, как иногда дети кричат „Pee-yoo!“, когда кто-то плохо пахнет.» Сиборг считал, что именно Pl будет принято в качестве обозначения плутония, однако комитет выбрал Pu . Также Сиборгом были предложены некоторые другие варианты названий, например, ультимий ( от — последний), экстремий ( от — крайний), из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице. Однако элемент назвали «плутоний» в честь последней планеты Солнечной системы.
Первые исследования После нескольких месяцев первоначальных исследований химических свойств плутония было выявлено, что они во многом схожи с таковыми у урана. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета (лаборатория Джона Герберта Джонса). В результате работ Каннингема и Вернера 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облучённого нейтронами на циклотроне. 10 сентября 1942 года — спустя месяц, на протяжении которого учёные увеличивали количество соединения — произошло взвешивание. Этот исторический образец весил 2,77 мкг и представлял собой диоксид плутония. В настоящее время он хранится в Лоуренсовском зале в Беркли. К концу 1942 года было накоплено 500 мкг соли элемента. Для более подробного изучения нового элемента в США было сформировано несколько групп: группа учёных, которая должна была выделить чистый плутоний химическими методами (Лос-Аламос: Джозеф У. Кеннеди, Артур Ч. Валь и другие); группа, которая изучала поведение плутония в растворах, включая изучение его степеней окисления, потенциалов ионизации и кинетику реакций (Беркли: , Роберт Э. Конник и другие); группа, которая изучала химию комплексообразования ионов плутония (Айова: группа под руководством Фрэнка Г. Спеддинга) и другие группы.
В ходе исследований было установлено, что плутоний может находиться в степенях окисления от +3 до +6, и что более низшие степени окисления, как правило, более стабильны по сравнению с нептунием. Тогда же было установлено сходство химических свойств плутония и нептуния. В 1942 году неожиданным стало открытие Стэна Томсона, входящего в группу Гленна Сиборга, которое показало, что четырёхвалентный плутоний получается в бо́льших количествах при нахождении в кислом растворе в присутствии фосфата висмута(III) (BiPO4). В дальнейшем это привело к изучению и применению висмут-фосфатного метода экстракции плутония. В ноябре 1943 года некоторые количества фторида плутония(III) (PuF3) были подвергнуты разделению для получения чистого образца элемента в виде нескольких микрограммов мелкодисперсного порошка. Впоследствии были получены образцы, которые можно было бы рассмотреть невооружённым глазом.