انشطار نووي

موضوع: انشطار نووي الثلاثاء يناير 26, 2010 10:21 am

انشطار نووي
الأنشطار النووي Nuclear fission هي عملية انشطار نواة ذرة ما إلى قسمين او اكثر ويتحول بهذه العملية مادة معينة إلى مادة اخرى وينتج عن عملية الأنشطار هذه نيوترونات و فوتونات حرة( بالاخص اشعة گاما) ودقائق نووية مثل دقائق ألفا alpha particles ودقائق بيتا beta particles. يؤدي انشطار العناصر الثقيلة إلى تكوين كميات ضخمة من الطاقة المتحركة.
تستعمل عملية الأنشطار النووي لتزويد الوقود لمولدات الطاقة النووية وتحفيز انفجار الأسلحة النووية واذا امكن اخضاع عنصر ثقيل إلى سلسلة من الأنشطارات النووية فان ذلك سيؤدي إلى تكوين ما يسمى بالوقود النووي ويتم تحفيز هذه السلسلة المتاعقبة من الأنشطارات النووية في المفاعلات النووية ويعتبر اليورانيوم-235 و البلوتونيوم - 239 من اكثر انواع الوقود النووي استعمالا. تبلغ كمية الطاقة الناتجة من كمية معينة من الوقود النووي ملايين اضعاف الطاقة الناتجة من نفس الكمية من البنزين.
تفاصيل عملية الأنشطار النووي
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الأنشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة الناتجة من كل عملية انشطار إلى تحفيز انشطارات اخرى التي بالتالى تؤدي إلى تكوين نيوترونات حرة اخرى وتستمر هذه السلسلة من الفعاليات مؤدية إلى إنتاج كميات هائلة من الطاقة.
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الأنشطارات النووية اسم الوقود النووي. من أكثر أنواع الوقود النووي استعمالا هي اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) و بلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239) ، هذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى ب الانشطار التلقائي spontaneous fission وتاخذ هذة العملية التلقائية مايقارب 550 مليون سنة على أقل تقدير ولكن عملية الانشطار هذه يتم تحفيزها والإسراع بها في المفاعلات النووية.
تنتج عادة عن سلسلة من الأنشطارات في المواد المذكورة اعلاه طاقة حركية هائلة تقدر بحوالي المئات من الكترون فولت وللتوضيح فان 0.03 الكترون فولت قادر على تدفئة منزل صغير . يرجع السبب الرئيسي في تفضيل اليورانيوم لاجراء عملية الأنشطار النووي عليه لغرض تصنيع الأسلحة النووية إلى كون النظير 235 لليورانيوم او مايسمى يورانيوم-235 خفيف الكتلة ويمكن تحفيز انشطاره بسهولة بواسطة تسليط حزمة من النيوترون عليه وبعد الأنشطار يتولد 2.5 نيوترون وهذه الكمية من النيوترون كافية لاستمرار عمليات انشطار متسلسلة و متعاقبة.
اندماج نووي
الاندماج النووي هو التفاعلات الذريه الناتجة من تفاعل اليورانيوم المخصب وذلك بإطلاقه نحو ذرات الهيدروجين. أو هو تفاعل أنوية العناصر المتفاعلة مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين نواة جديدة أثقل مما يؤدي إلى انتاج عنصر جديد. ومن اهم امثلة الاندماج النووي هو اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهيليوم ولعل افضل مثال لهذه التفاعلات هي التفاعلات الشمسية والتي تتطلق كمية كبيرة جدا من الطاقةو إن الطاقة التي تنتجها عملية الإندماج النووي أكبر بكثير من الطاقة التي ينتجها الإنشطار النووي.
آلية الاندماج
يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. ولكي يتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل بين شحنتيهما الموجبتين (و تعرف الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية (الموافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. و في المقابل، تقترح ميكانيكا الكم ، و هو ما تؤكده التجربة، أن الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه أيضا بظاهرة النفق ، بطاقات أكثر انخفاضا.
وبالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جداً، و هو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة الأنوية. وفي داخل الشمس على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد الهليوم، في ظل حرارة تقدر ب 15 مليون درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس . و تُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر الهيدروجين بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أو الديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في الشمس فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل الحديد ، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النيوترونات . و في بعض النجوم الأكثر كتلة عن الشمس، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.
وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة تسمي أحيانا نواة مركبة، ولكي تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسيم أو أكثر (فوتون، نيوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، و تتوزع الطاقة الزائدة بين النواة و الجسيمات المطلقة في شكل طاقة حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق نواة ذرة الهيليوم بطاقة قدرها 5و3 MeV وينطلق النيوترون بطاقة قدرها 14,1 MeV . وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد العلماء للحصول على مردود جيد من الطاقة خلال الاندماج ، أي من الضروري أن تكون الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات و استغلال الحرارة الناتجة في إنتاج الطاقة الكهربائية. كما يجب عزل محيط التفاعل و مواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.
عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : 4He + 4He).

إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة لإنتاج الهيليوم ، لأن الهيليوم ونواته جسيم ألفا هي أقوى نواة ذرة هلى الإطلاق من جهة تماسكها ، فهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وهؤلاء الأربعة شديدو التماسك بحيث يتحول جزء يعادل 005و0 من كتلتهم كما في التفاعل الموضح بالرسم ،إلى طاقة حركة تتوزع بين نواة الهيليوم الناتجة والنيوترون . ومجموع الطاقتين الموزعتين = 3,5 + 14,1 = 17,6 MeV . و بالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد) والتريتيوم (بروتون واحد و نيوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :
 دويتيريوم + دويتيريوم -> هيليوم 3 + نيوترون
 دويتيريوم + دويتيريوم -> تريتيوم + بروتون
 دويتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نيوترون
 دويتيريوم + هيليوم 3 -> هيليوم 4 + بروتون
و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة ، وكل منها ينتج نحو 17 MeV من الطاقة.
الاندماج المتحكم فيه
يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، ويقوم العلماء فعلا بتلك التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطيسي لما يسمى البلازما في جهاز مفرغ من الهواء مع رفع درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية . ولكن احتجاز البلازما - وهي أنوية التريتيوم و الديوتيروم الخالية من الإلكترونات - تحت هذه الحرارة العالية صعب جدا إذ كلها تحمل شحكة كهربائية موجبة تجعلهم يتنافرون عن بعضهم . فما يلبث التفاعل أن يبدأ بينهم لمدة أجزاء من الثانية حتى يتنافرون ويتوقف التفاعل . وينصب حاليا اهتمام العلماء على ابتكار وسيلة يستطيعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل . وتلك المجهودات ما هي إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية .
الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي
 التوكاماك، حيث يحتجز خليط من نظائر الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي بالغ الشدة.
 الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.
بلازما الإندماج

رسم بياني يوضح العلاقة بين درجة الحرارة ومعدل التفاعل لثلاثة أنواع من التفاعلات الاندماجية .
عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.
تحت درجات الحرارة العالية يتم إقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة ، مما ينتج عنه أيونات موجبة و إلكترونات طليقة.
ينتج عن التحرك الكبير للأيونات و الإلكترونات داخل بلازما حرارية ، عدة اصطدامات بين الجسيمات الموجبة الشحنة الكهربية . و لكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي ، تتدخل ثلاث عوامل :
1. الحرارة T ;
2. الكثافة N ;
3. زمن الاحتجاز τ.
حسب لوسون فإن المعامل Nτ يجب أن يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد إثر ذلك في مرحلة أكثر إنتاجا للطاقة (لم يتوصل العلماء لإيجادها حتى اليوم في المفاعلات التجريبية الحالية). إنه الحد الذي يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع . لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 1014 ثانية/سم³.
التفاعلات الهامة
سلاسل التفاعل الفيزيائية الفلكية

The proton-proton chain dominates in stars the size of the Sun or smaller.

The CNO cycle dominates in stars heavier than the Sun.
(1) D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
(2i) D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
(2ii) → ³He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
(3) D + ³He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
(4) T + T → 4He + 2 n + 11.3 MeV
(5) ³He + ³He → 4He + 2 p + 12.9 MeV
(6i) ³He + T → 4He + p + n + 12.1 MeV 51%
(6ii) → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) 43%
(6iii) → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) 6%
(7i) D + 6Li → 2 4He + 22.4 MeV __%
(7ii) → ³He + 4He + n + 2.56 MeV __%
(7iii) → 7Li + p + 5.0 MeV __%
(7iv) → 7Be + n + 3.4 MeV __%
( p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + ³He (2.3 MeV)
(9) ³He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeV
(10) p + 11B → 3 4He + 8.7 MeV
تخليق نووي

 Stellar nucleosynthesis
 Big Bang nucleosynthesis
 Supernova nucleosynthesis
 Cosmic ray spallation

مواضيع متعلقة
 فيزياء فلكية
 اندماج نووي
 R-process
 S-process
 انشطار نووي

تعديل
p (protium), D (deuterium), and T (tritium) are shorthand notation for the main three isotopes of hydrogen.

fuel T [keV] <σv>/T² [m³/s/keV²]
D-T 13.6 1.24×10-24
D-D 15 1.28×10-26
D-³He 58 2.24×10-26
p-6Li 66 1.46×10-27
p-11B 123 3.01×10-27
Neutronicity, confinement requirement, and power density

The only fusion reactions thus far produced by humans to achieve ignition are those which have been created in hydrogen bombs; the first of which, Ivy Mike, is shown here.

fuel Z Efus [MeV] Ech [MeV] neutronicity
D-T 1 17.6 3.5 0.80
D-D 1 12.5 4.2 0.66
D-³He 2 18.3 18.3 ~0.05
p-11B 5 8.7 8.7 ~0.001

We can now compare these reactions in the following table.
fuel <σv>/T² penalty/bonus reactivity Lawson criterion power density
D-T 1.24×10-24 1 1 1 1
D-D 1.28×10-26 2 48 30 68
D-³He 2.24×10-26 2/3 83 16 80
p-11B 3.01×10-27 1/3 1240 500 2500
fuel Ti (keV) Pfusion/PBremsstrahlung
D-T 50 140
D-D 500 2.9
D-³He 100 5.3
³He-³He 1000 0.72
p-6Li 800 0.21
p-11B 300 0.57
إشعاع

This figure illustrates the relative abilities of three different types of ionizing radiation to penetrate solid matter.
الإشعاع Radiation طاقة تطلق في شكل موجات أو جسيمات صغيرة من مادة ما وانتشارها فى الفضاء.يتوافر الأشعاع فى كل أنحاء الكون وله أشكال عديدة مثل الأشعة السينية وأشعة جاما والإشعاع الصادر عن المفاعلات النووية وأوضح أشكالة ضوء الشمس العادى. وإذا استثنينا الضوء العادى فمعظم أنواع الاشعة غير مرئى مثل:الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والاشعة السينية (أشعة إكس x)وغيرها.

The electromagnetic spectrum
وتختلف أطوال موجات الأشعة بين طولها وقصرها وقصيرة وتسير الأشعة بسرعة الضوء نحو 300,000 كيلو متر فى الثانية الواحدة وتقاس بالراديومتر . والنجوم (والشمس منها ) مصادر أساسية للأشعة فتنتج الشمس إشعاعا كهرومغناطيسيا (وهو يتكون من الطاقة الكهربائية والمغناطيسية) من التفاعلات النووية التى تحدث فى مركزها وتسخن هذة الطاقة الطبقة الخارجية من الشمس ويؤدى ذلك الى توهج الغازات الساخنة منتجة الضوء وأنواعا من الاشعة وتنتقل هة الاشعة عبر الفضاء الفضاء الى الكرة الأرضية وغيرها من الأجرام القريبة. إن الشمس والنجوم تنتج كل أنواع الاشعة أبتداء من الضوء وإنتهاء بأشعة جاما ذات الطاقة العالية ولاشك أن الفيزياء الفلكية تهتم بكل ما يصل الى الأرض من إشعاعات .
انظر أيضاً
 ضوء
 فيزياء فلكية
 أشعة فوق بنفسجية
 أشعة تحت الحمراء
 أشعة سينية
 إشعاع كهرومغناطيسي
 Ionizing radiation
 Non-ionizing radiation
 Background radiation, which actually refers to the background ionizing radiation
 Black hole
 Cosmic microwave background radiation, 3K blackbody radiation that fills the Universe
 Electromagnetic spectrum
 Radiant energy, radiation by a source into the surrounding environment.
 Radiation damage - adverse effects on materials and devices
 Radiation hormesis - dosage threshold damage theory
 Radiation poisoning - adverse effects on life forms
 Radiation hardening - making devices resistant to failure in high radiation environments
 Radioactive contamination
 Radioactive decay
 Hawking radiation
 Čerenkov radiation
وصلات خارجية
 Health Physics Society Public Education Website
لمصادر
 قالب:قاموس دار العلم الفلكي
قالب:Radiation
تمّ الاسترجاع من "http://www.marefa.org/index.php/%D8%A5%D8%B4%D8%B9%D8%A7%D8%B9"
تصنيفات: Radiation | Physics | Fundamental physics concepts
يورانيوم
اليورانيوم (Uranium) هو أحد العناصر الكيميائية المشعة الموجودة في الجدول الدوري، ويرمز له بحرف U. عدده الذري هو 92، ومن أبرز صفاته: ثقيل، أبيض فضي، سام، فلزي وقطعة من معدن اليورانيوم الصافي تبدو قريبة من معدن الفضة أو الفولاذ ولكنها ثقيلة جداً بالنسبة نسبة إلى حجمها. حيث أن 3,0 متر مكعب من اليورانيوم يزن أكثر من نصف طن! فهو أثقل معدن موجود في الطبيعة.
فهرست
[إخفاء]
 1 خاماته
 2 استخلاصه
 3 أهم النظائر
 4 فتره نصف العمر
 5 اقرأ أيضاً
 6 المصادر
 7 وصلات خارجية
خاماته
 خام الكارنوتيت k2(UO3)(VO4)2.3H2O
 خام اليورانيت UO2
 خام البيتش بليند
استخلاصه
اولا يتم تكسير الخام إلى قطع صغيرة ثم يتم تجميعها عن طريقة الطفو باستخدام حمض الفوليك, ثم يتم تحميصها في الهواء حتي يتم تحوليها إلى الأكاسيد المقابلة, بعد ذلك يتم تصفيتها في مزيج من حمض الكبريتيك وبرمنجانات البوتاسيم حتى نتأكد من أكسدة اليورانيوم الموجود بالخام يتم ترسيب اليورانيوم بأضافة هيدروكسيد الصوديم حتي يتحول الي الصيغه غير الذائبه (Na2U2O7) ويطلق عليها اسم الكعكة الصفراء yellow cake, بعد ذللك يتم اضافة حمض النيتريك حتى يتحول إلى نترات اليورانيم UO2(NO3)2 (H2O)nالذي يتم أمرار بخار الفلور عليه متحولا إلى بخار من فلوريد اليورانيم (UF4) ثم يتم استخلاص اليورانيوم النقي بواسطة الاختزال عن طريق عنصر الكالسيوم ويتم استخلاص نظائر اليورانيوم أيضا بطريقة مماثلة.
أهم النظائر
 (نظير ذري 235) وهو قابل للانشطار (fissile ) ويتواجد في خام اليورانيوم بنسبه صغيره 0.7 بالمائة و يستخدم في المفاعلات النووية وتصنع منه القنابل الذرية والهيدروجينية الاندماجية والانشطارية.
 (نظير ذري 238) ويتواجد في الخام بنسبة كبيره 99.3 وهو غير قابل للانشطار (non fissile) وهو مايتم تخصيبه للاستخدام في المفاعلات النووية و يستخدم في الدراسات والتشخيص ويستعمل أيضاً في تحسين الزراعة والعلاج الكيماوي ويستخدم في تتبع وصول الدواء لاماكنه داخل الجسم الحي.
 (نظير ذري 234) ويتواجد كشوائب داخل الخام بالاضافة إلى (نظير ذري 233) ويستخدم في المفاعلات المولدة للوقود النووي breeder reactor.
فتره نصف العمر
عنصر اليورانيوم ذو نشاط إشعاعي، إذ أن ذراته تتفتت ببطء مطلقة طاقة في شكل إشعاع حيث تبلغ فترة نصف العمر له حوالي ( 7^10 * 4.9 )سنة بالنسبة إلى (نظير ذري 235)، و حوالي ( 8^10 * 7.04) سنة بالنسبة إلى (نظير ذري 238).
عملية الأنشطار النووي لليورانيوم
في حالة استخدام اليورانيوم في الأغراض السلمية يجب أن لا تتعدى نسبة اليورانيوم المخصب عن 4 بالمائة. وعامل التحفيز النيوتروني يجب أن يكون أقل من الواحد أما في حالة أستخدامه في الحالات التفجيرية يجب أن يصل نسبة اليورانيوم المخصب إلى 80 بالمائة وعامل التحفيز النيتروني يجب أن يكون أكبر من الواحد، حيث إن عامل التحفيز النيتروني هو عدد النيترونات المستخدمة في انشاء سلسلة التفاعلات chain reaction في المفاعل النووي.
92 پروتكتينيوم ← يورانيوم → نپتونيوم
Nd
↑
U
↓
(Uqb)
الجدول الدوري - الجدول الدوري الممتد
عام
الاسم, الرمز, الرقم
يورانيوم, U, 92
السلسلة الكيميائية
أكتينيداتs
المجموعة, الدورة, Block
[[عنصر من مجموعة |]], 7, f
المظهر
silvery gray metallic;
يتآكل إلى شظايا
قشر أكسيد أسود في الهواء
الوزن الذري القياسي
238.02891(3) g•mol−1
ترتيب الإلكترونات
[Rn] 5f3 6d1 7s2
Electrons per shell
2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
الخواص الطبيعية
الحالة
solid
الكثافة (قرب ح.غ.)
19.1 g•cm−3
الكثافة السائلة عند ن.ذ.
17.3 g•cm−3
نقطة الذوبان
1405.3 K
(1132.3 °C, 2070 °F)
نقطة الغليان
4404 K
(4131 °C, 7468 °F)
حرارة الانصهار
9.14 kJ•mol−1
حرارة التبخر
417.1 kJ•mol−1
السعة الحرارية
(25 °C) 27.665 J•mol−1•K−1
ضغط البخار
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T/K 2325 2564 2859 3234 3727 4402
الخصائص الذرية
البنية البلورية
orthorhombic
حالات التأكسد
3+,4+,5+,6+[1]
(weakly basic oxide)
السالبية الكهربية
1.38 (Pauling scale)
طاقات التأين
1st: 597.6 kJ/mol
2nd: 1420 kJ/mol
نصف القطر الذري
138.5 pm
نصف قطر فان در فالس
186 pm
متفرقات
الترتيب المغنطيسي
paramagnetic
المقاومة الكهربية
(0 °C) 0.280 µΩ•m
التوصيل الحراري
(300 K) 27.5 W•m−1•K−1
التمدد الحراري
(25 °C) 13.9 µm•m−1•K−1
سرعة الصوت (thin rod)
(20 °C) 3155 م/ث
معامل يونج
208 GPa
معامل القص
111 GPa
Bulk modulus
100 GPa
نسبة بواسون
0.23
CAS registry number
7440-61-1
نظائر مختارة
المقال الرئيسي: نظائر اليورانيوم
iso
NA
نصف العمر
DM
DE (MeV)
DP
232U إصط
68.9 y
α & SF
5.414 228Th
233U إصط
159,200 y
SF & α 4.909 229Th
234U 0.0054% 245,500 y
SF & α 4.859 230Th
235U 0.7204% 7.038×108 y SF & α 4.679 231Th
236U إصط
2.342×107 y
SF & α 4.572 232Th
238U 99.2742% 4.468×109 y
SF & α 4.270 234Th
المراجع
پلوتونيوم
(تم التحويل من بلوتونيوم)
94 نبتونيوم → بلوتونيوم ← أمريكيوم
(Uqq)
↑
Pu
↓
سماريوم
الجدول الدوري
صفات عامة
الإسم, الرقم, الرمز
بلوتونيوم, Pu, 94
سلاسل كيميائية
أكتينيدات
المجموعة, الدورة, المستوى الفرعي
f, 7, n/a
المظهر
فضي مبيض
كتلة ذرية
244 غم/مول g/mol
شكل إلكتروني
[Rn] 5f6 7s2
عدد الإلكترونات لكل مستوى
2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
خواص فيزيائية
الحالة
صلب
كثافة عندح.غ.
19.816 ج/سم³
كثافة السائل عند m.p.
16.63 ج/سم³
نقطة الإنصهار
912.5 ك
639.4 م °
1182.9 ف °
نقطة الغليان
3505 ك
3228 م °
5842 ف °
حرارة الإنصهار
kJ/mol 2.82
حرارة التبخر
kJ/mol 333.5
السعة الحرارية
(25 35.5 C (م) ° ( J/(mol•K
ضغط البخار
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T/K 1756 1953 2198 2511 2926 3499
الخواص الذرية
البنية البللورية
أحادي الميل
حالة التأكسد
6, 5, 4, 3
(أكسيد جوي)
سالبية كهربية
1.28 (مقياس باولنج)
طاقة التأين
الأولي: 584.7 kJ/mol
نصف قطر ذري
175 pm
متفرقة
الترتيب المغناطيسي
معلومات غير متوفر
توصيل كهربائي
(0 °م) 1.460 µΩ•م
توصيل حراري
(300 K ك ) 6.74
(W/(m•K)
تمدد حراري
(25 °C) 46.7 µm/(m•K)
سرعة الصوت (قضيب رفيع)
(20 °م) 2260 m/s
معامل يونج
96 GPa
معامل القص
43 GPa
نسبة بواسون
0.21
رقم التسجيل
7440-07-5
المراجع
الپلوتونيوم أحد العناصر الترابية النادرة وهو من العناصر المشعة. رمزه الذري Pu، وعدده الذري 94 الوزن الذري (amu) :244.0 و درجة انصهاره بالسلسيوس : 639.5 ودرجة الغليان بالسلسيوس : 3235.5 ، عدد اللنيوترونات :150 - التصنيف : من اكاسيد عناصر الاتربة النادرة - البنية البلورية : احادي الميل
فهرست
[إخفاء]
 1 الخصائص المميزة
 2 الاستخدامات
 3 تاريخ
 3.1 أول عزل
 3.2 الانتاج
 3.3 التجارب الطبية
 4 التواجد
 4.1 التصنيع
 4.1.1 Pu-240, Pu-241 و Pu-242
 4.1.2 Pu-239
 4.1.3 Pu-238
 5 المركبات
 6 Allotropes
 7 النظائر
 8 محاذير
 8.1 السمية
 8.2 مشاكل التخلص منه
 8.3 Criticality potential
 8.4 قابلية الاشتعال
 9 انظر أيضاً
 10 المضادر
 11 وصلات خارجية
الخصائص المميزة
پلوتونيوم has been called "the most complex metal" and "a physicist's dream but an engineer's nightmare"[1] for its peculiar physical and chemical properties. It has six allotropes normally and a seventh under pressure. The allotropes have very similar energy levels but significantly varying densities, making plutonium very sensitive to changes in temperature, pressure, or chemistry, and allowing for dramatic volume changes following phase transitions (in nuclear applications, it is usually alloyed with a small amount of gallium, which stabilizes it in the delta-phase).[1] Plutonium is silvery in pure form, but has a yellow tarnish when oxidized. It possesses a low-symmetry structure, causing it to become progressively more brittle over time.[1] Because it self-irradiates, it ages both from the outside-in and the inside-out.[1] However, self-irradiation can also lead to annealing which counteracts some of the aging effects. In general, the precise aging properties of plutonium are very complex and poorly understood, greatly complicating efforts to predict future reliability of weapons components.
The heat given off by alpha particle emission makes plutonium warm to the touch in reasonable quantities. It displays five ionic oxidation states in aqueous solution:
 Pu(III), as Pu3+ (blue lavender)
 Pu(IV), as Pu4+ (yellow brown)
 Pu(V), as PuO2+ (thought to be pink; this ion is unstable in solution and will disproportionate into Pu4+ and PuO22+; the Pu4+ will then oxidize the remaining PuO2+ to PuO22+, being reduced in turn to Pu3+. Thus, aqueous solutions of plutonium tend over time towards a mixture of Pu3+ and PuO22+.)[1]
 Pu(VI), as PuO22+ (pink orange)
 Pu(VII), as PuO52- (dark red); the heptavalent ion is rare and prepared only under extreme oxidizing conditions.
The actual color shown by Pu solutions depends on both the oxidation state and the nature of the acid anion, which influences the degree of complexing of the Pu species by the acid anion.[1]
الاستخدامات
النظير 239Pu is a key fissile component in nuclear weapons, due to its ease of fissioning and availability. The critical mass for an unreflected sphere of plutonium is 16 kg, but through the use of a neutron-reflecting tamper the pit of plutonium in a fission bomb is reduced to 10 kg, which is a sphere with a diameter of 10 cm. The Manhattan Project "Fat Man" type plutonium bombs, using explosive compression of Pu to significantly higher densities than normal, were able to function with plutonium cores of only 6.2 kg.[1] Complete detonation may be achieved through the use of an additional neutron source (often from a small amount of fusion fuel). The Fat Man bomb had an explosive yield of 21 kilotons. (See also nuclear weapon design.)
The isotope plutonium-238 (238Pu) has a half-life of 88 years and emits a large amount of thermal energy as it decays. Being an alpha emitter, it combines high energy radiation with low penetration (thereby requiring minimal shielding). These characteristics make it well suited for electrical power generation for devices which must function without direct maintenance for timescales approximating a human lifetime. It is therefore used in radioisotope thermoelectric generators such as those powering the Cassini and New Horizons (Pluto) space probes; earlier versions of the same technology powered the ALSEP and EASEP systems including seismic experiments on the Apollo Moon missions.
238Pu has been used successfully to power artificial heart pacemakers, to reduce the risk of repeated surgery.[بحاجة لمصدر] It has been largely replaced by lithium-based primary cells, but as of 2003 there were somewhere between 50 and 100 plutonium-powered pacemakers still implanted and functioning in living patients.

Glenn Seaborg at the Geiger Counter, 301 Gilman Hall, Berkeley, California, where he discovered plutonium.
The production of plutonium and neptunium by bombarding uranium-238 with neutrons was predicted in 1940 by two teams working independently: Edwin M. McMillan and Philip Abelson at Berkeley Radiation Laboratory at the University of California, Berkeley; and by Egon Bretscher and Norman Feather at the Cavendish Laboratory of the University of Cambridge for the Tube Alloys project.[بحاجة لمصدر] Coincidentally both teams proposed the same names to follow on from uranium, following the sequence of the outer planets.[بحاجة لمصدر]
أول عزل
Plutonium was first produced and isolated on December 14, 1940 by Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy, Z. M. Tatom[بحاجة لمصدر], and A. C. Wahl by deuteron bombardment of uranium in the 60-inch cyclotron at Berkeley. The discovery was kept secret due to the war. It was named after Pluto, having been discovered directly after neptunium (which itself was one higher on the periodic table than uranium), by analogy to solar system planet order as Pluto was considered to be a planet at the time (though technically it should have been "plutium", Seaborg said that he did not think it sounded as good as "plutonium"). Seaborg chose the letters "Pu" as a joke, which passed without notice into the periodic table.[1] Originally, Seaborg and others thought about naming the element "ultinium" or "extremium" because they believed at the time that they had found the last possible element on the periodic table.[1]
Chemists at the University of Chicago began to study the newly manufactured radioactive element. The George Herbert Jones Laboratory at the university was the site where, on 18 August 1942, a trace quantity of this new element was isolated and measured for the first time. This procedure enabled chemists to determine the new element's atomic weight. Room 405 of the building was named a National Historic Landmark in May 1967.[1]
During the Manhattan Project, plutonium was also often referred, simply, to as "49". Number 4 was for the last digit in 94 (atomic number of plutonium) and 9 for the last digit in Pu-239, the weapon-grade fissile isotope used in nuclear bombs. [1] [1]
الانتاج
During the Manhattan Project, the first production reactor, the X-10 Graphite Reactor, was built at the Oak Ridge, Tennessee site that became Oak Ridge National Laboratory. Later, large (200MWt) reactors were set up at the Hanford Site (near Richland, Washington), for the production of plutonium, which was used in the first atomic bomb used at the "Trinity" test in July 1945. Plutonium was also used in the "Fat Man" bomb dropped on Nagasaki, Japan in August 1945. The "Little Boy" bomb dropped on Hiroshima utilized uranium-235, not plutonium.
Large stockpiles of "weapons-grade" plutonium were built up by both the Soviet Union and the United States during the Cold War. The U.S. reactors at Hanford and the Savannah River Site in South Carolina produced 103,000 kg;[1] It was estimated there are another 170,000 kg of military plutonium in Russia, with 300,000 kg accumulated worldwide. [1] Since the end of the Cold War, these stockpiles have become a focus of nuclear proliferation concerns. In 2002, the United States Department of Energy took possession of 34 metric tons of excess weapons-grade plutonium stockpiles from the United States Department of Defense, and as of early 2003 was considering converting several nuclear power plants in the US from enriched uranium fuel to MOX fuel as a means of disposing of plutonium stocks.

Hanford Site plutonium production reactors along the Columbia River during the Manhattan Project.
التجارب الطبية
During the initial years after the discovery of plutonium, when its biological and physical properties were very poorly understood, a series of human radiation experiments were performed by the U.S. government and by private organizations acting on its behalf. During and after the end of World War II, scientists working on the Manhattan Project and other nuclear weapons research projects conducted studies of the effects of plutonium on laboratory animals and human subjects. In the case of human subjects, this involved injecting solutions containing (typically) five micrograms of plutonium into hospital patients thought to be either terminally ill, or to have a life expectancy of less than ten years either due to age or chronic disease condition. These eighteen injections were made without the informed consent of those patients and were not done with the belief that the injections would heal their conditions; rather, they were used to develop diagnostic tools for determining the uptake of plutonium in the body for use in developing safety standards for people working with plutonium during the course of developing nuclear weapons.[1]
The episode is now considered to be a serious breach of medical ethics and of the Hippocratic Oath, and has been sharply criticised as failing "both the test of our national values and the test of humanity."[1] More sympathetic commentators have noted that while it was definitely a breach in trust and ethics, "the effects of the plutonium injections were not as damaging to the subjects as the early news stories painted, nor were they so inconsequential as many scientists, then and now, believe."[1]
التواجد
While almost all plutonium is manufactured synthetically, extremely tiny trace amounts are found naturally in uranium ores. These come about by a process of neutron capture by 238U nuclei, initially forming 239U; two subsequent beta decays then form 239Pu (with a 239Np intermediary), which has a half-life of 24,110 years. This is also the process used to manufacture 239Pu in nuclear reactors. Some traces of 244Pu remain[بحاجة لمصدر] from the birth of the solar system from the waste of supernovae, because its half-life of 80 million years is fairly long.
A relatively high concentration of plutonium was discovered at the natural nuclear fission reactor in Oklo, Gabon in 1972. Since 1945, approximately 7700 kg has been released onto Earth through nuclear explosions.
التصنيع
Pu-240, Pu-241 و Pu-242
The activation cross section for 239Pu is 270 barns, while the fission cross section is 747 barns for thermal neutrons. The higher plutonium isotopes are created when the uranium fuel is used for a long time. It is the case that for high burnup used fuel that the concentrations of the higher plutonium isotopes will be higher than the low burnup fuel which is reprocessed to obtain bomb grade plutonium.
تكون 240Pu, 241Pu و 242Pu من 238U
العنصر النظير مقطع عرضي
لنيوترون حراري
decay mode
نصف العمر

U
238 2.7 α 4.47 x 109 سنة
U
239 - β 23 دقيقة
Np
239 - β 2.36 يوم
Pu 239 270 (capture) α 24110 سنة
Pu
240 289 (capture) α 6564 سنة
Pu 241 362 (capture) β 14.35 سنة
Pu 242 18.8 α 373300 سنة
Pu-239
المقال الرئيسي: پلوتونيوم-239
پلوتونيوم-239 is one of the three fissile materials used for the production of nuclear weapons and in some nuclear reactors as a source of energy. The other fissile materials are uranium-235 and uranium-233. Plutonium-239 is virtually nonexistent in nature. It is made by bombarding uranium-238 with neutrons in a nuclear reactor. Uranium-238 is present in quantity in most reactor fuel; hence plutonium-239 is continuously made in these reactors. Since plutonium-239 can itself be split by neutrons to release energy, plutonium-239 provides a portion of the energy generation in a nuclear reactor.

A ring of weapons-grade electrorefined plutonium, with 99.96% purity. This 5.3 kg ring is enough plutonium for use in an efficient nuclear weapon.
تكون 239Pu من 238U
العنصر النظير Thermal neutron
cross section
decay mode
نصف العمر

U
238 2.7 α 4.47 x 109 سنة
U
239 - β 23 دقيقة
Np
239 - β 2.36 يوم
Pu 239 - α 24110 سنة
Pu-238
المقال الرئيسي: پلوتونيوم-238
There are small amounts of Pu-238 in the plutonium of usual plutonium-producing reactors. However, isotopic separation would be quite expensive compared to another method: when a U-235 atom captures a neutron, it is converted to an excited state of U-236. Some of the excited U-236 nuclei undergo fission, but some decay to the ground state of U-236 by emitting gamma radiation. Further neutron capture creates U-237 which has a half-life of 7 days and thus quickly decays to Np-237. Since nearly all neptunium is produced in this way or consists of isotopes which decay quickly, one gets nearly pure Np-237 by chemical separation of neptunium. After this chemical separation, Np-237 is again irradiated by reactor neutrons to be converted to Np-238 which decays to Pu-238 with a half-life of 2 days.
تكون 238Pu من 235U
العنصر النظير مقطع عرضي
لنيوترون حراري
decay mode
نصف العمر
U
235 99 α 703800000 years
U
236 5.3 α 23420000 years
U
237 - β 6.75 days
Np
237 165 (capture) α 2144000 years
Np
238 - β 2.11 days
Pu 238 - α 87.7 years
المركبات

Image showing colors of various oxidation states of Pu in solution on the left and colors of only one Pu oxidation state (IV) on the right in solutions containing different anions.
ويتفاعل الپلوتونيوم بسهولة مع الاكسجين, مكوناً PuO and PuO2, واكسيدات وسيطة. ويتفاعل مع الهالوجينات, giving rise to compounds such as PuX3 where X can be F, Cl, Br or I; PuF4 and PuF6 are also seen. The following oxyhalides are observed: PuOCl, PuOBr and PuOI. It will react with carbon to form PuC, nitrogen to form PuN and silicon to form PuSi2.
الپلوتونيوم like other actinides readily forms a dioxide plutonyl core (PuO2). In the environment, this plutonyl core readily complexes with carbonate as well as other oxygen moieties (OH-, NO2-, NO3-, and SO4-2) to form charged complexes which can be readily mobile with low affinities to soil.
 PuO2(CO3)1-2
 PuO2(CO3)2-4
 PuO2(CO3)3-6
PuO2 formed from neutralizing highly acidic nitric acid solutions tends to form polymeric PuO2 which is resistant to complexation. Plutonium also readily shifts valences between the +3, +4, +5 and +6 states. It is common for some fraction of plutonium in solution to exist in all of these states in equilibrium.
Allotropes
المقال الرئيسي: Allotropes of plutonium
A diagram of the allotropes of plutonium at ambient pressure
Even at ambient pressure, plutonium occurs in a variety of allotropes. These allotropes differ widely in crystal structure and density; the α and δ allotropes differ in density by more than 25% at constant pressure.
The presence of these many allotropes makes machining plutonium very difficult, as it changes state very readily. The reasons for the complicated phase diagram are not entirely understood; recent research has focused on constructing accurate computer models of the phase transitions.
In weapons applications, plutonium is often alloyed with another metal (e.g., delta phase with a small percentage of gallium) to increase phase stability and thereby enhance workability and ease of handling. Interestingly, in fission weapons, the explosive shock waves used to compress a plutonium core will also cause a transition from the usual delta phase plutonium to the denser alpha phase, significantly helping to achieve supercriticality.
النظائر
المقال الرئيسي: نظائر الپلوتونيوم
Twenty-one plutonium radioisotopes have been characterized. The most stable are Pu-244, with a half-life of 80.8 million years, Pu-242, with a half-life of 373,300 years, and Pu-239, with a half-life of 24,110 years. Because of its comparatively large half-life, minute amounts of Pu-244 can be found in nature[1], All of the remaining radioactive isotopes have half-lives that are less than 7,000 years. This element also has eight meta states, though none are very stable (all have half-lives less than one second).
The isotopes of plutonium range in atomic weight from 228.0387 u (Pu-228) to 247.074 u (Pu-247). The primary decay modes before the most stable isotope, Pu-244, are spontaneous fission and alpha emission; the primary mode after is beta emission. The primary decay products before Pu-244 are uranium and neptunium isotopes (neglecting the wide range of daughter nuclei created by fission processes), and the primary products after are americium isotopes.
A pellet of plutonium-238, glowing due to blackbody radiation, used for radioisotope thermoelectric generators.
Key isotopes for applications are Pu-239, which is suitable for use in nuclear weapons and nuclear reactors, and Pu-238, which is suitable for use in radioisotope thermoelectric generators; see above for more details. The isotope Pu-240 undergoes spontaneous fission very readily, and is produced when Pu-239 is exposed to neutrons. The presence of Pu-240 in a material limits its nuclear bomb potential since it emits neutrons randomly, increasing the difficulty of initiating accurately the chain reaction at the desired instant and thus reducing the bomb's reliability and power. Plutonium consisting of more than about 90% Pu-239 is called weapons-grade plutonium; plutonium obtained from commercial reactors generally contains at least 20% Pu-240 and is called reactor-grade plutonium.
Pu-240, while of little importance by itself, plays a crucial role as a contaminant in plutonium used in nuclear weapons. It spontaneously fissions at a high rate, and a 1% impurity in Pu-239 will lead to unacceptably early initiation of a fission chain reaction in gun-type atomic weapons (e.g. the proposed Thin Man bomb), blowing the weapon apart before much of its material can fission. Pu-240 contamination is the reason plutonium weapons must use an implosion design. A theoretical 100% pure Pu-239 weapon could be constructed as a gun-type device, but achieving this level of purity is prohibitively difficult. Pu-240 contamination has proven a mixed blessing to weapons designers. While it created delays and headaches during the Manhattan Project because of the need to develop implosion technology, those very same difficulties are currently a barrier to nuclear proliferation. Implosion devices are also inherently more efficient and less prone toward accidental detonation than are gun-type weapons.
محاذير
السمية
Glowing hot bits of plutonium in a box, which have been set alight due to plutonium's pyrophoric nature.
All isotopes and compounds of plutonium are toxic and radioactive. While plutonium is sometimes described in media reports as "the most toxic substance known to man", from the standpoint of actual chemical or radiological toxicity this is incorrect. When taken in by mouth, plutonium is less poisonous than if inhaled, since it is not absorbed into the body efficiently when ingested. The U.S. Department of Energy estimates the increase in lifetime cancer risk for inhaled plutonium as 3×10−8 pCi−1.[1] (this means that inhaling 1 μCi, or about 2.5 μg of reactor-grade plutonium is estimated to increase one's lifetime risk of developing cancer as a result of the exposure to 3%). When plutonium is absorbed into the body, it is excreted very slowly, with a biological half-life of 200 years.[1] From a purely chemical standpoint, it is about as poisonous as lead and other heavy metals. [بحاجة لمصدر] Not surprisingly, it has a metallic taste.[1]
Plutonium may be extremely dangerous when handled incorrectly. The alpha radiation it emits does not penetrate the skin, but can irradiate internal organs when plutonium is inhaled or ingested. Particularly at risk are the skeleton, where it is likely to be absorbed by the bone surface, and the liver, where it will likely collect and become concentrated. Approximately 0.008 microcuries absorbed in bone marrow is the maximum withstandable dose. Anything more is considered toxic. Extremely fine particles of plutonium (on the order of micrograms) can cause lung cancer if inhaled.[بحاجة لمصدر]
Other substances including ricin, tetrodotoxin, botulinum toxin, and tetanus toxin are fatal in doses of (sometimes far) under one milligram, and others (the nerve agents, the amanita toxin) are in the range of a few milligrams. As such, plutonium is not unusual in terms of toxicity, even by inhalation. In addition, those substances are fatal in hours to days, whereas plutonium (and other cancer-causing radioactives) give an increased chance of illness decades in the future. Considerably larger amounts may cause acute radiation poisoning and death if ingested or inhaled; however, so far, no human is known to have immediately died because of inhaling or ingesting plutonium and many people have measurable amounts of plutonium in their bodies.[بحاجة لمصدر]
مشاكل التخلص منه
In contrast to naturally occurring radioisotopes such as radium or C-14, plutonium was manufactured, concentrated, and isolated in large amounts (hundreds of metric tons) during the Cold War for weapons production. These stockpiles, whether or not in weapons form, pose a significant problem because, unlike chemical or biological agents, no chemical process can destroy them. One proposal to dispose of surplus weapons-grade plutonium is to mix it with highly radioactive isotopes (e.g., spent reactor fuel) to deter handling by potential thieves or terrorists. Another is to mix it with uranium and use it to fuel nuclear power reactors (the mixed oxide or MOX approach). This would not only fission (and thereby destroy) much of the Pu-239, but also transmute a significant fraction of the remainder into Pu-240 and heavier isotopes that would make the resulting mixture useless for nuclear weapons.[1]
Criticality potential
Toxicity issues aside, care must be taken to avoid the accumulation of amounts of plutonium which approach critical mass, particularly because plutonium's critical mass is only a third of that of uranium-235's. Despite not being confined by external pressure as is required for a nuclear weapon, it will nevertheless heat itself and break whatever confining environment it is in. Shape is relevant; compact shapes such as spheres are to be avoided. Plutonium in solution is more likely to form a critical mass than the solid form (due to moderation by the hydrogen in water). A weapon-scale nuclear explosion cannot occur accidentally, since it requires a greatly supercritical mass in order to explode rather than simply melt or fragment. However, a marginally critical mass will cause a lethal dose of radiation and has in fact done so in the past on several occasions.
Criticality accidents have occurred in the past, some of them with lethal consequences. Careless handling of tungsten carbide bricks around a 6.2 kg plutonium sphere resulted in a lethal dose of radiation at Los Alamos on August 21, 1945, when scientist Harry K. Daghlian, Jr. received a dose estimated to be 510 rems (5.1 Sv) and died four weeks later. Nine months later, another Los Alamos scientist, Louis Slotin, died from a similar accident involving a beryllium reflector and the same plutonium core (the so-called "demon core") that had previously claimed the life of Daghlian. These incidents were fictionalized in the 1989 film Fat Man and Little Boy. In 1958, during a process of purifying plutonium at Los Alamos, a critical mass was formed in a mixing vessel, which resulted in the death of a crane operator. Other accidents of this sort have occurred in the Soviet Union, Japan, and many other countries. (See List of nuclear accidents.) The 1986 Chernobyl accident caused a minor release of plutonium.[بحاجة لمصدر]
قابلية الاشتعال
Metallic plutonium is also a fire hazard, especially if the material is finely divided. It reacts chemically with oxygen and water, which may result in an accumulation of plutonium hydride, a pyrophoric substance; that is, a material that will ignite in air at room temperature. Plutonium expands considerably in size as it oxidizes and thus may break its container. The radioactivity of the burning material is an additional hazard. Magnesium-oxide sand is the most effective material for extinguishing a plutonium fire. It cools the burning material, acting as a heat sink, and also blocks off oxygen. There was a major plutonium-initiated fire at the Rocky Flats Plant near Boulder, Colorado in 1969.[1] To avoid these problems, special precautions are necessary to store or handle plutonium in any form; generally a dry inert atmosphere is required.[1]

» مفاعل نووي صغير
» صورة وآية الشمس فرن نووي ملتهب
» صورة وآية آية الكهف والرقم 33
» اول مفاعل نووي لانتاج الطاقة النووية بالاندماج بدلا من الانشطار