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钚的相关知识与其应用化学092郭彦明2009121225
钚的相关知识与其应用
届 别 2009届
系 别 化学系
专 业 化学
姓 名 郭彦明
学 号 2009121225
二○一一年六月
钚的相关知识与其应用
郭彦明 刘耀华(副教授)
(太原师范学院 化学 092班):::格伦·西奥多·西博格和埃德温·麦克米伦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)。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) 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)。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。 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。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。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)。
钚金属钚(英语:Plutonium ,)原子序数为94,元素符号是Pu,是一种具放射性的超铀元素。半衰期为24万5千年。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。钚有六种同位素和四种氧化态,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。 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。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种(zeta, ζ)存在。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。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。 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
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