A plutónium egy radioaktív, ezüstszínű fém, amely létrehozható vagy megsemmisíthető. Míg nem sokkal keletkezése után pusztításra használták, ma az elemet világszerte főként energiatermelésre használják.
A plutóniumot először 1940-ben állították elő és izolálták, és a második világháború végén Nagaszakira ledobott “Fat Man” atombomba elkészítéséhez használták, mindössze öt évvel az első előállítása után – mondta Amanda Simson, a New Haven-i Egyetem vegyészmérnöki tanszékének adjunktusa.
Csak a tények
Itt vannak a plutónium tulajdonságai a Los Alamos Nemzeti Laboratórium szerint:
- Atomszám: 94
- Atomi jel: 94
- Atomi jel: Pu
- Atomsúly: 244
- Az olvadáspont: 1,184 F (640 C)
- Fűtőpont: 5,842 F (3,228 C)
Felfedezés & történet
A plutóniumot 1941-ben fedezték fel Joseph W. Kennedy, Glenn T. Seaborg, Edward M. McMillan és Arthur C. Wohl a Kaliforniai Egyetemen, Berkleyben. A felfedezés akkor történt, amikor a csapat egy ciklotron berendezésben felgyorsított deuteronokkal bombázta az urán-238-at, aminek következtében neptúnium-238 és két szabad neutron keletkezett. A neptúnium-238 ezután béta-bomlással plutónium-238-ra bomlott.
Ezt a kísérletet csak 1946-ban, a második világháború után osztották meg a tudományos közösséggel. Seaborg 1941 márciusában publikációt nyújtott be felfedezésükről a Physical Review című folyóirathoz, de a cikket törölték, amikor kiderült, hogy a plutónium egyik izotópját, a Pu-239-et fel lehet használni atombomba készítésére.
Seaborgot hamarosan a Los Alamos-i Nemzeti Laboratórium szerint a Chicagói Egyetem Plutóniumgyártó Laboratóriumának, más néven a Met Labnak a vezetésére küldték. A laboratórium célja a plutónium előállítása volt a Manhattan Project részeként. A Manhattan Project egy titkos vállalkozás volt a második világháború alatt, amely kizárólag az atombomba kifejlesztésén dolgozott.
1942. augusztus 18-án volt az első nagy sikerük. Sikerült nyomokban szemmel látható mennyiségű plutóniumot előállítaniuk. Ez mindössze körülbelül 1 mikrogrammnak felelt meg. Az apró mintából a tudósok meghatározták a plutónium atomsúlyát.
A Manhattan Project végül elegendő plutóniumot állított elő a “Trinity teszthez”. A teszt során a Los Alamos-i laboratórium igazgatója, Robert Oppenheimer és Leslie Groves hadseregtábornok 1945. július 16-án az új-mexikói Socorro közelében felrobbantotta a világ első atombombáját, vagyis a “The Gadget”-et.
A kísérletről Oppenheimer azt mondta: “Tudtuk, hogy a világ nem lesz ugyanaz. Néhányan nevettek, néhányan sírtak. A legtöbb ember hallgatott. Eszembe jutott egy sor a hindu szentírásból, a Bhagavad-Gitából. Visnu megpróbálja meggyőzni a herceget, hogy tegye meg a kötelességét, és hogy lenyűgözze, felveszi a többkarú alakját, és azt mondja: “Most én lettem a Halál, a világok elpusztítója”. Gondolom, így vagy úgy, de mindannyian ezt gondoltuk” – írja a Royal Society of Chemistry.
A robbanás energiája körülbelül 20 000 tonna TNT-nek felelt meg. Az első háborús célú atombombát 1945. augusztus 6-án dobták le a japán Hirosimára. Ennek az atombombának, amelyet “Little Boy”-nak neveztek el, azonban uránmagja volt. A második, 1945. augusztus 9-én a japán Nagaszakira ledobott bomba magja plutónium volt. A “Kövér ember”, ahogyan nevezték, meggyorsította a második világháború végét.
A plutónium tulajdonságai
A frissen elkészített plutónium fém ezüstösen fényes színű, de a levegőn oxidálódva tompa szürke, sárga vagy olajzöld foltot vesz fel. A fém koncentrált ásványi savakban gyorsan feloldódik. Egy nagyobb plutóniumdarab érintésre melegnek tűnik az alfa-bomlás során felszabaduló energia miatt; a nagyobb darabok elegendő hőt termelhetnek ahhoz, hogy vizet forraljanak. Szobahőmérsékleten az alfa-formájú plutónium (a leggyakoribb forma) olyan kemény és törékeny, mint az öntöttvas. Más fémekkel ötvözve szobahőmérsékleten stabilizált delta formává alakítható, amely lágy és képlékeny. A legtöbb fémtől eltérően a plutónium nem jó hő- vagy elektromosságvezető. Alacsony az olvadáspontja és szokatlanul magas a forráspontja.
A plutónium a legtöbb más fémmel ötvözeteket és köztes vegyületeket, valamint számos más elemmel vegyületeket képezhet. Egyes ötvözetek szupravezető képességekkel rendelkeznek, másokat pedig nukleáris üzemanyaggranulátumok előállítására használnak. Vegyületei az oxidációs állapottól és a különböző ligandumok összetettségétől függően különböző színűek. Vizes oldatban öt valenciájú ionállapot létezik.
A plutónium az összes többi transzuránelemmel együtt sugárveszélyes, és speciális felszereléssel és óvintézkedésekkel kell kezelni. Állatkísérletek szerint néhány milligramm plutónium kilogramm szövetre vetítve halálos.
Források
A plutónium általában nem fordul elő a természetben. A plutónium nyomokban megtalálható a természetben előforduló uránércekben. Itt a neptúniumhoz hasonló módon keletkezik: a természetes urán neutronokkal való besugárzásával, majd béta-bomlással.
Főleg azonban a plutónium az atomenergia-ipar mellékterméke. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium szerint évente mintegy 20 tonna plutóniumot állítanak elő. A kiégett nukleáris fűtőelemeket is újra fel lehet dolgozni, hogy a felhasználható plutóniumot elválasszák az üzemanyagban lévő más elemektől.
A légköri fegyverkísérletek az 1950-es és 1960-as években több tonna plutóniumot hagytak a Föld légkörében, ami a World Nuclear Association szerint még ma is ott van.
Felhasználás
A plutóniumot többnyire nem sok mindenre használják. Valójában a plutónium öt gyakori izotópja közül csak két izotópját, a plutónium-238-at és a plutónium-239-et használják egyáltalán bármire.
A plutónium-238-at arra használják, hogy radioizotópos termoelektromos generátorok segítségével áramot állítsanak elő űrszondák számára. Ezeket a generátorokat akkor kapcsolják be, amikor a szondák nem kapnak elég napenergiát, mert túl messzire kerültek a Naptól. Plutónium-238-at használó szondák például a Cassini és a Galileo.
Ha eléggé koncentrált, a plutónium-239 hasadási láncreakcióba lép. Emiatt használják nukleáris fegyverekben és néhány atomreaktorban.
A plutónium egyik legnagyobb felhasználási területe az energia. A Nukleáris Világszövetség szerint a legtöbb atomerőműben előállított energia több mint egyharmada plutóniumból származik. A plutónium a gyorsneutronos reaktorok fő üzemanyaga.
Ki gondolta volna?
A tudósok évtizedekig csodálkoztak, hogy a plutónium miért nem úgy viselkedik, mint a csoportjába tartozó többi fém. A plutónium például rosszul vezeti az elektromosságot, és nem tapad a mágnesekhez. Most a kutatók rájöttek, hol rejtőzött a “hiányzó mágnesesség”, és ennek az elem külső héjában lévő elektronok furcsa viselkedéséhez van köze. Más fémekkel ellentétben, amelyeknek meghatározott számú elektron van a külső héjukban, alapállapotban a plutóniumban négy, öt vagy hat elektron is lehet.
A külső héj elektronjainak ez az ingadozó száma megmagyarázza, miért nem mágneses a plutónium: ahhoz, hogy egy atom kölcsönhatásba lépjen a mágnesekkel, a külső héj párosítatlan elektronjainak mágneses mezőben kell sorakozniuk.
A plutónium legstabilabb izotópja, a plutónium-244 hosszú ideig eltartható. Felezési ideje körülbelül 82 millió év, és a Jefferson Laboratórium szerint alfa-bomlással bomlik uránium-240-re.
A plutóniumot a Plútó nevű bolygóról nevezték el. Ez azért van így, mert az uránium után következik, amelyet az Uránusz bolygóról neveztek el, és a neptúnium után, amelyet a Neptunusz bolygóról neveztek el.
A plutónium neutronokat, béta-részecskéket és gamma-sugarakat bocsát ki.