小狐狸事務所: 關於鈽元素

2013年3月21日星期四

關於鈽元素

二哥問我, 美軍二戰時在長崎投的原子彈是鈾彈還是鈽彈, 我不太確定, 所以回來查了一下 Wiki, 原來廣島的是鈾彈, 長崎的是鈽彈, 美國人還真狠, 明明已經勝利在望, 還一次做兩種實驗. 關於鈽這種元素的底細摘要如下 :

鈽 Plutonium ，原子序為 94，元素符號 Pu，是一種具放射性的超鈾元素。屬於錒系金屬，外表呈銀白色，暴露在潮濕的空氣中時會產生氧化物和氫化物，屑狀的鈽能自燃，會於骨髓中富集。
鈽是天然存在於自然界中的質量最重的元素。
鈽最穩定的同位素是鈽 244，半衰期約為八千萬年。
鈽最重要的同位素是鈽 239，是三個最重要的易裂變同位素之一（另外二者為鈾 233 和鈾 235），半衰期為 2.41 萬年，常被用製造核子武器。二次大戰時美軍投於長崎的原子彈即使用了鈽製作內核。
鈽 238 的半衰期為 88 年，它是放射性同位素熱電機的熱量來源，常用於驅動太空船。
核能工業每年約產出 20 公噸的副產物鈽元素。科學家發現，動物組織內只要含達每公斤數毫克的鈽就能致死，鈽在骨骼中擴散的情形危險程度更甚於鐳。
鈽的臨界質量約僅有鈾 235 的三分之一，鈽彈只需 6.2 公斤鈽便可達到爆炸當量，相當於2萬噸的 TNT 炸藥威力。
一般輕水反應爐所產生的核廢料中含有鈽，但為鈽 242、鈽 239和鈽 238 的混合物，它的濃度不足以製作成核武器。
臨界質量是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料有不同的臨界質量。純度越低的核燃料，其臨界質量會增加。能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四週加以中子反射物料，臨界質量可以更少。
鈾 233 : 15 公斤
鈾 235 : 48.8 公斤
鈽 239 : 10 公斤
鈽 240 : 40 公斤
鈽 242 : 100 公斤
剛好可能以產生連鎖反應的組合，稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合，核反應的速率會以指數增長，稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應，這種臨界被稱為即發臨界，是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小，裂變會隨時間減少，稱之為次臨界。核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。
"週期表上的元素(或者可以說原子的種類)還有那些元素的反物質大概就是所有的元素了，畢竟元素的多少這個跟宇宙的大小無關，而是跟原子內部的作用力有關。原子是由整數的質子中子，外圍環繞電子組成。而原子序大於鈾的元素，因為強作用力對距離的衰減甚鉅，所以無法穩定存在。所以這就告訴我們，自然界能夠穩定存在的元素有限，不外乎就是從原子序為 1 的氫，到原子序為 94 的鈾 (註 : 應是鈽)，目前幾億光年之內可見的宇宙也是如此。根據相對論性狄拉克方程式的計算，原子序頂多只能到 137。所以，在現今可驗證的物理範疇下，外星人不太可能用我們不知道的元素打造太空船。" (這則說明是從君曄林的 Youtube 上找到的, 很有意思, 但須更正的是, 原子序 94 為鈽, 鈾是 92)。
理察·費曼表示，根據狄拉克方程式得出的結論，原子序大於137時，電子殼層會發生問題，所以在 Uts 之後不可能存在中性原子，根據電子排佈整理的週期表在此處也因此瓦解。根據玻爾模型的計算，1s 電子殼層中電子的速度 v=ZC/137.036，Z 為原子序，C 為光速，當 Z > 137 時電子的速度超越光速，這在物理上不可能，故這個尚未發現的元素也被稱為 feynmanium (費曼元素)，這很可能是最後的元素。