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不一样的元素故事:钚钚惊心|《自然-化学》专


发布者:bbin直营现金网 日期:2021-01-25 04:20


  导语:由于历史原因,钚元素总是让人联想到核武器。Jan Hartmann讲述了94号元素同样值得关注的另一面,包括它飞向同名天体的故事。

  钚对20世纪产生了无可争议的影响。先是1945年8月,在日本长崎爆炸的对结束第二次世界大战起到了至关重要的作用,后来它又是冷战时期核军备竞赛的关键。

  在1934年,费米将钡、氪和其它物质的混合物误判为94号元素。在此之后,到了1940年,Glenn T. Seaborg及其同事首次制备和分离出了钚。当时钚是由使用氘核轰击铀靶而获得的,但这一成就一直被保密到第二次世界大战结束。

  “Plutonium”这个名字源自罗马神话里的冥王的名字Pluto。这一名称在 1816年时就被提出用于命名钡,但提议未被采纳。Seaborg用它命名了94号元素,延续了周期表中在它之前的锕系元素——镎和铀——以太阳系最外层行星命名的传统。

  严格来说的线年D. F. Peppard从铀矿中分离出极少量的钚239。但它仅占地球岩石层质量的2×10-19%,因此地球上几乎所有的钚都是在核反应堆中人工生产的。

  奥托·哈恩于1938年发现了铀的核裂变,引发了人们对纳粹德国可能致力于开发核武器的担忧。这促使了第二次世界大战期间旨在开发核武器的“曼哈顿计划”的设立。其间,钚被确定为合适的裂变材料。

  在被发现不到四年后,钚这一新元素就迎来了公斤级量产。德国于1945年5月投降,因此,欧洲战场的战争在核武器的实战准备完成之前就结束了。于是核武器转而被用来对付日本,并极大地加速了太平洋地区战争的结束过程。

  尽管战争结束,钚的大规模生产又因美苏核军备竞赛而得以继续。如今,这批核武储备中的大多数推动了对钚金属老化过程的必需研究。自发辐射会导致钚的物理性质逐渐发生改变,但人们仍不太了解这一转化过程的具体细节。

  当然,钚不是只具有破坏力:它还展现出惊人的物理特性和迷人的化学特性。所有已知的钚同位素都是放射性的,其中最稳定的同位素(钚244)的半衰期约为8000万年。

  其它一些同位素,特别是钚239,能够自我维持核链式反应,释放出巨大的能量。它有六种同素异形体,以至于它被戏称为“物理学家的梦想,工程师的梦魇”。其能量相近的不同晶相之间极易相互转换,微小的刺激就能导致前后物性大相径庭。它的“delta”型同素异形体是唯一已知的具有负热膨胀系数的金属,意味着当它被加热时体积会收缩。

  94号元素能够以+ III价至+ VII价的氧化态存在,每一个都颜色绚丽。钚也是唯一已知的、四种氧化态离子(+ III至+ VI价)可以在水溶液中以几乎相同的浓度共存的元素。事实上,Pu4+的中性水溶液在几小时内就能转换为全部四种离子的平衡态。在最稳定的+ IV价氧化态中,钚倾向于形成配位络合物,其中一些可溶于有机溶剂如或磷酸三丁酯。后者在“PUREX”过程中被用于将钚和铀分离开。

  钚可以在发电或是科研用的核反应堆中作为燃料。2010年,核电站满足了全球超过13%的电力需求。作为高强度中子辐射源的科研用反应堆也是非常宝贵的设备。这样的反应堆中子源可以用在中子衍射实验中。钚的非裂变同位素钚238可以在放射性同位素发电装置(即核电池)中得到利用,它结合了长工作寿命和高能量密度。

  这也让它适合为无人太空船提供电能,例如好奇号火星漫游车和新地平线号探测器。新地平线年到达了冥王星并收集了数据,它的仪器由10.9千克238PuO2所驱动。因此,在以天体命名的所有元素中,钚是迄今为止唯一一个飞往其同名天体的元素。

  或许钚本该以罗马双面神雅努斯(Janus)的名字命名。它的历史清晰地展现了科学探索中的矛盾。没有任何科学发现是天生善良或是邪恶的。它的用途决定了它如何被看待。ⓝ


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