يعرف أن عنصر البلوتونيوم (Plutonium) عبارة عن عنصر كيميائي يمتلك رمز Pu ورقم ذري يساوي 94 موجود في الجدول الدوري الحديث، كما ويصنف البلوتونيوم كأحد عناصر الأكتينيدات، وهو يكون على صورة مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة.
اكتشاف عنصر البلوتونيوم
لقد تم إنتاج عنصر البلوتونيوم لأول مرة بواسطة جلين تي سيبورج وجوزيف دبليو كينيدي وإدوارد م، عملية الإنتاج هذه خلقت نظير النبتونيوم 238 واثنين من النيوترونات الحرة، ويبلغ عمر النصف لنظير النيبتونيوم 238 2.1 يوم ويتحلل إلى نظير البلوتونيوم 238 من خلال عملية اضمحلال بيتا.
على الرغم من قيامهم بعملهم في جامعة كاليفورنيا في عام 1941 ميلادي، لم يتم الكشف عن اكتشافهم لبقية المجتمع العلمي حتى عام 1946 ميلادي؛ وذلك بسبب المخاوف الأمنية في زمن الحرب، إن من أكثر نظائر البلوتونيوم استقرارًا هو نظير البلوتونيوم 244 له عمر نصف يبلغ حوالي 82،000،000 سنة، ويتحلل إلى نظير اليورانيوم 240 من خلال عملية اضمحلال ألفا، كما أنه سوف يتحلل نظير البلوتونيوم 244 أيضًا من خلال عملية الانشطار التلقائي.
عنصر البلوتونيوم هو العنصر الثاني عبر اليورانيوم في سلسلة الأكتينيدات، ولقد تم اكتشاف العنصر 93 في عام 1940/41 بواسطة جلين تي سيبورج وإدوين م. ماكميلان وجيه دبليو كينيدي وأيه سي واهل عن طريق عملية تم بها قصف الديوترون لنظير اليورانيوم 238 في سيكلوترون 60 بوصة في جامعة كاليفورنيا في مختبر بيركلي.
قاموا هؤلاء الأشخاص أولاً بتصنيع نظير النبتونيوم 238 والذي تحلل لاحقًا عن طريق بيتا ليشكل عنصرًا أثقل جديدًا برقم ذري 94 ووزن ذري مقداره 238 (نصف عمر 87.7 سنة)، وقد كان من المناسب تسمية العنصر 94 على اسم الكوكب التالي بلوتو بعد الأسبقية في تسمية اليورانيوم على اسم كوكب أورانوس والنبتونيوم على اسم كوكب نبتون.
قدم سيبورج ورقة إلى مجلة مراجعة البدنية في مارس 1941 ميلادي لتوثيق الاكتشاف، ولكن سرعان ما تم سحب الورقة عندما وجد أن أحد نظائر البلوتونيوم وهو النظير (Pu-239) يمكن أن يخضع للانشطار النووي مما يجعله مفيدًا في تطوير قنبلة ذرية، إذ يحتوي البلوتونيوم 239 على مقطع عرضي انشطار بنسبة 50٪ أكبر من ذلك الموجود في نظير اليورانيوم 235 وهو يعد أفضل عنصر انشطار معروف في ذلك الوقت.
لقد تم استدعاء سيبورج بعيدًا عن بيركلي لقيادة معمل إنتاج البلوتونيوم أو “Met Lab” في جامعة شيكاغو، وكان من المقرر أن ينتج مختبر Met كميات مفيدة من البلوتونيوم كجزء من مشروع مانهاتن السري خلال الحرب العالمية الثانية لتطوير قنبلة ذرية، وفي 18 أغسطس 1942 ميلادي، تم عزل كمية ضئيلة من البلوتونيوم وقياسها في مختبر Met لأول مرة.
لقد تم القيام بعملية لإنتاج ما يقارب (5 * 10^-5) غرام من نظير البلوتونيوم 239 مع اليورانيوم ومع نواتج الانشطار، كما وقد تم عزل حوالي واحد ميكروغرام فقط، حيث كانت هذه مادة كافية للكيميائيين لتحديد الوزن الذري للعنصر الجديد، وفي نوفمبر 1943 ميلادي، تم اختزال بضع مليجرامات من مركب فلوريد البلوتونيوم ذو الصيغة الكيميائية التالية: (PuF3) وذلك من أجل إنشاء أول عينة من معدن البلوتونيوم، كما وقد تم إنتاج ما يكفي من البلوتونيوم لجعله أول عنصر من صنع البشر، ومن الممكن رؤيته بالعين المجردة.
كما أنه قد تم القيام بدراسة الخصائص النووية لنظير البلوتونيوم 239 ووجد الباحثون أنه عندما يصطدم بالنيوترون فإنه ينفجر عن طريق إطلاق الطاقة والمزيد من النيوترونات، كما ويمكن لهذه النيوترونات أن تصطدم بالذرات المجاورة من نظير البلوتونيوم 239 وما إلى ذلك، وفي تفاعل متسلسل سريع بشكل هائل مما يطلق كمية هائلة من الطاقة، ومن الممكن أن تؤدي هذه الطاقة إلى انفجار كبير بما يكفي لتدمير مدينة أو وقود مفاعل نووي.
خلال الحرب العالمية الثانية كانت مواقع البحث والإنتاج الرئيسية الثلاثة لمشروع مانهاتن هي منشأة إنتاج البلوتونيوم في ما يعرف الآن بموقع هانفورد بواشنطن ومنشآت تخصيب اليورانيوم في أوك ريدج في تينيسي ومختبر أبحاث وتصميم الأسلحة المعروف الآن باسم مختبر لوس ألاموس الوطني، وفي عام 1943 ميلادي كان أول مفاعل إنتاج صنع النظير (Pu-239) هو مفاعل الجرافيت (X-10) الذي تم بناؤه في منشأة في أوك ريدج بولاية تينيسي، والتي أصبحت فيما بعد مختبر أوك ريدج الوطني.
لقد تم تأجيل نشر اكتشاف وتسمية عنصر البلوتونيوم الجديد حتى عام بعد نهاية الحرب العالمية الثانية، واعتبر سيبورج في الأصل أن الاسم “بلوتيوم”، لكنه اعتقد لاحقًا أنه لا يبدو جيدًا مثل اسم “البلوتونيوم”.
معلومات عامة عن البلوتونيوم
يعتبر البلوتونيوم فريدًا من بين العناصر في تعقيداته الفيزيائية والكيميائية بحكم موقعه في موقع انتقالي في الجدول الدوري، حيث تكون الإلكترونات 5f على الحدود بين غير محدد (غير مرتبط بذرة واحدة) والمترجمة السلوك (مرتبطة بذرة واحدة) ويعتبر من أكثر العناصر تعقيدًا.
يقع البلوتونيوم أيضًا بالقرب من المنعطف حيث تنتقل سلسلة الأكتينيد من كيمياء عنصر كتلة d الرئيسية إلى سلوك شبيه بالأرض النادرة نتيجة لانقباض الأكتينيد، ونظرًا لأهميته الدفاعية والتجارية يعد البلوتونيوم واحدًا من أكثر العناصر التي يتم التحقيق فيها بشكل مكثف.
يتميز معدن البلوتونيوم بمظهر فضي لامع في البداية ويصبح لونه رمادي باهت أو أصفر أو أخضر زيتوني عندما يتأكسد في الهواء، قطعة كبيرة نسبيًا من البلوتونيوم دافئة عند لمسها بسبب الطاقة المنبعثة من اضمحلال ألفا ستنتج القطع الكبيرة حرارة كافية لغلي الماء.
يذوب المعدن بسهولة في الأحماض المعدنية المركزة، كما ويحتوي هذا المعدن في الوضع المعتاد على ست متآصلات أو ما يعرف بهياكل بلورية وهي: ألفا (α) وبيتا وغاما ودلتا (δ) ودلتا برايم وإبسيلون، وتشكل المرحلة السابعة (زيتا ، ζ). تحت درجة حرارة عالية ونطاق ضغط محدود، تتمتع هذه المتآصلات بمستويات طاقة متشابهة جدًا ولكن كثافات متفاوتة بشكل كبير (من 16.00 إلى 19.86 جرام / سم 3) وهياكل بلورية، وهذا يجعل البلوتونيوم حساسًا جدًا للتغيرات في درجة الحرارة أو الضغط أو الكيمياء ويسمح بتغييرات كبيرة في الحجم بعد انتقالات الطور.
في درجة حرارة الغرفة يكون البلوتونيوم في شكل ألفا (α) وهو الشكل الهيكلي الأكثر شيوعًا للعنصر، كما إنه صلب وهش مثل الحديد الزهر ما لم يتم خلطه مع معادن أخرى لتشكيل مرحلة دلتا (δ) المستقرة في درجة حرارة الغرفة، مما يجعلها ناعمة وقابلة للدهن، وعلى عكس معظم المعادن فهو ليس موصلًا جيدًا للحرارة أو الكهرباء، كما ولديه نقطة انصهار منخفضة (640 درجة مئوية) ودرجة غليان عالية بشكل غير عادي (3228 درجة مئوية).
يمكن أن يشكل البلوتونيوم سبائك ومركبات وسيطة مع معظم المعادن الأخرى، كما ويمكن للغاليوم والألمنيوم والأمريسيوم والسكانديوم والسيريوم أن يوازنوا طور معدن البلوتونيوم، كما ويمكن تشكيل كريات الوقود النووي بخلط البلوتونيوم مع معادن مختلفة مثل: الألومنيوم والزركونيوم.
لقد تم فحص سبائك الثوريوم والبلوتونيوم واليورانيوم كوقود نووي للمفاعلات المولدة السريعة، وتم العثور على سبيكة بلوتونيوم-جاليوم-كوبالت (PuCoGa5) لتكون موصلًا فائقًا غير تقليدي ويُظهر الموصلية الفائقة أقل من 18.5 كلفن وهو ترتيب من حيث الحجم أعلى من أعلى مستوى معروف بين أنظمة الفرميون الثقيلة المعروفة.
لقد تم العثور على اثنين فقط من نظائر البلوتونيوم وهما البلوتونيوم 238 والبلوتونيوم 239، يستخدم البلوتونيوم 238 في المولدات الكهروحرارية للنظائر المشعة لتوفير الكهرباء للمسبارات الفضائية التي تغامر بعيدًا جدًا عن الشمس لاستخدام الطاقة الشمسية مثل مجسات كاسيني وجاليليو.
سيخضع البلوتونيوم 239 لتفاعل تسلسلي انشطاري إذا تم تركيز كمية كافية منه في مكان واحد لذلك يتم استخدامه في قلب الأسلحة النووية الحديثة وفي بعض المفاعلات النووية.
