Плутоний

Плутоний в организме

Плутоний (лат. Plutonium), Pu, искусственно полученный радиоактивный химический элемент, атомный номер 94; относится к актиноидам. Открыт в 1940-41 годах американскими учеными Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Дж. Кеннеди и А. Валем, которые получили изотоп ²³⁸Рu в результате облучения урана ядрами тяжелого водорода - дейтонами. Назван в честь планеты Плутон, как и предшественники Плутония в таблице Менделеева - уран и нептуний, названия которых также произошли от планет Урана и Нептуна. Известны изотопы Плутония с массовыми числами от 232 до 246. Следы изотопов ²⁴⁷Рu и ²⁵⁵Рu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб. Самым долгоживущим изотопом Плутоний является α-радиоактивный ²⁴⁴Рu (период полураспада T_½ около 7,5·10⁷ лет). Величины T_½ всех изотопов Плутония много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный Плутоний (существовавший на нашей планете при ее формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества ²³⁹Рu постоянно образуются при β-распаде ²³⁹Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана с нейтронами (например, нейтронами космического излучения). Поэтому следы Плутония обнаружены в урановых рудах.

Плутоний - блестящий белый металл, при температурах от комнатной до 640°С (t_пл) существует в шести аллотропных модификациях. Аллотропные превращения Плутония сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Уникальная особенность металлического Плутония состоит в том, что при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается. Конфигурация трех внешних электронных оболочек атома Pu 5s²5p⁶5d¹⁰5f⁶6s²6p²7s². Химические свойства Плутония во многом сходны со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием. Плутоний образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. Известны оксиды РuО, Рu₂О₃, РuО₂ и фаза переменного состава Рu₂О₃ - Pu₄O₇. В соединениях с галогенами Плутоний обычно проявляет степень окисления +3, но известны также галогениды PuF₄, PuF₆ и РuСl₄. В растворах Плутоний существует в формах Pu³⁺, Pu⁴⁺, РuО₂ (плутоноил-ион), PuO²⁺ (плутонил - ион) и PuO_s^3- , отвечающих степеням окисления от +3 до +7. Указанные ионы (кроме РuО^3-₅) могут находиться в растворе одновременно в равновесии. Ионы Плутония всех степеней окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию.

Из всех изотопов Плутония наиболее важен α-радиоактивный ²³⁹Рu (T_½ = 2,4·10⁴ лет). Ядра ²³⁹Pu способны к цепной реакции деления под действием нейтронов, поэтому ²³⁹Рu можно использовать как источник атомной энергии (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г ²³⁹Рu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля). В СССР первые опыты по получению ²³⁹Pu были начаты в 1943-44 годах под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. Впервые Плутоний в СССР был выделен из облученного нейтронами урана в 1945 году. В предельно сжатые сроки были выполнены обширные исследования свойств Плутония, и в 1949 в СССР начал работать первый завод по радиохимическому выделению Плутония.

Промышленное производство ²³⁹Pu основано на взаимодействии ядер ²³⁸U с нейтронами в ядерных реакторах. Последующее отделение Рu от U, Np и высокорадиоактивных продуктов деления осуществляют радиохимическими методами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и других). Металлический Плутоний обычно получают восстановлением PuF₃, PuF₄ или PuСO₂ парами бария, кальция или лития. Как делящийся материал, ²³⁸Pu используют в атомных реакторах и в атомных и термоядерных бомбах. Изотоп ²³⁸Рu применяют для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 лет и более. Такие батарейки могут применяться, например, в генераторах тока, стимулирующих работу сердца.

Плутоний в организме. Плутоний концентрируется морскими организмами: его коэффициент накопления (то есть отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона (смешанного) - около 2300, для моллюсков - до 380, для морских звезд - около 1000, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают Плутоний главным образом через корневую систему и накапливают его до 0,01% от своей массы. В организме человека Плутоний задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей). Наиболее токсичный ²³⁹Pu вызывает нарушения кроветворения, остеосаркомы, рак легких. С 70-х годов 20 века доля Плутония в радиоактивном загрязнении биосферы возрастает (так, облученность морских беспозвоночных за счет Плутония становится больше, чем за счет ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs).