Плутоний-239

Плуто́ний-239 (англ. plutonium-239) — радиоактивный нуклид химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 239. Иногда считается входящим в радиоактивное семейство 4n+3, называемое рядом актиния (хотя обычно этот ряд считают начинающимся с природного урана-235, который и возникает при распаде практически отсутствующего в природе плутония-239). Был открыт в 1941 году Гленом Сиборгом, Джозефом Кеннеди, Артуром Валем и Эмилио Сегре^[3].

Плутоний-239
Название, символ	Плутоний-239, 239Pu
Нейтронов	145
Свойства нуклида
Атомная масса	239,0521634(20)[1] а. е. м.
Дефект массы	48 589,9(18)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 560,311(8)[1] кэВ
Период полураспада	2,411(3)⋅104[2] лет
Продукты распада	235U
Родительские изотопы	239Np (β−) 239Am (ε) 243Cm (α)
Спин и чётность ядра	1/2+[2]
Канал распада Энергия распада α-распад 5,24451(21)[1] МэВ SF
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

В природе встречается в чрезвычайно малых количествах в урановых рудах. Радиогенный плутоний-239 образуется из урана-238 при захвате нейтронов, возникающих при спонтанном делении урана (²³⁵U и ²³⁸U) и в результате реакций (α, n) на лёгких элементах, входящих в состав руд^[4]; еще одним источником нейтронов является космическое излучение^[5].

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 2,3 ГБк.

Образование и распад

Плутоний-239 образуется в результате следующих распадов:

• β⁻-распад нуклида ²³⁹Np (период полураспада составляет 2,356(3)^[2] суток):

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

• e-захват, осуществляемый нуклидом ²³⁹Am (период полураспада составляет 11,9(1)^[2] ч):

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{95}Am} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +{\bar {\nu }}_{e};}$

• α-распад нуклида ²⁴³Cm (период полураспада составляет 29,1(1)^[2] лет):

${\displaystyle \mathrm {^{243}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}$

Распад плутония-239 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³⁵U (вероятность 100 %^[2], энергия распада 5 244,51(21) кэВ^[1]):

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He}$ ;}

энергия испускаемых α-частиц

5 105,5 кэВ (в 11,94 % случаев);

5 144,3 кэВ (в 17,11 % случаев);

5 156,59 кэВ (в 70,77 % случаев)^[6].

• Спонтанное деление (вероятность 3,1(6)⋅10⁻¹⁰ %)^[2];

Получение

Плутоний-239 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп ²³⁸U, при захвате этим изотопом избыточных нейтронов. При этом происходят следующая последовательность ядерных реакций и радиоактивных распадов:

${\displaystyle n+{\ce {{}^{238}_{92}U -> {}^{239}_{92}U}}+\gamma$ ;}

${\displaystyle {\ce {{}^{239}_{92}U ->[\beta] {}^{239}_{93}Np}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

${\displaystyle {\ce {{}^{239}_{93}Np ->[\beta] {}^{239}_{94}Pu}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

Для промышленного выделения плутония-239 из облученного ядерного топлива используют пьюрекс-процесс^[5].

Изомеры

Известен единственный изомер ^239mPu со следующими характеристиками^[2]:

• Избыток массы: 48 981,5(18) кэВ
• Энергия возбуждения: 391,584(3) кэВ
• Период полураспада: 193(4) нc
• Спин и чётность ядра: 7/2⁻

Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние^[2].

Применение

Плутоний-239 используют^[5]:

• в качестве ядерного топлива в ядерных реакторах на тепловых и особенно на быстрых нейтронах;
• при изготовлении ядерного оружия (критическая масса для голого шара из металлического ²³⁹Pu составляет примерно 10 кг, для шара в водяном отражателе примерно 5,2 кг^[7]);
• используется в качестве исходного вещества для получения трансплутониевых элементов.

См. также

• Изотопы плутония
• Оружейный плутоний
• Соглашение об утилизации плутония
• Плутоний-239 (фильм)

Примечания

1. Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая Школа, 1991. — С. 407. — 656 с.
4. Милюкова М. С., Гусев Н. И., Сентюрин И. Г., Скляренко И. С. Аналитическая химия плутония. — М.: «Наука», 1965. — С. 12. — 454 с. — (Аналитическая химия элементов). — 3400 экз.
5. Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
6. Свойства ²³⁹Pu на сайте МАГАТЭ (IAEA, International Atomic Energy Agency) (недоступная ссылка)
7. E. D. Clayton, ANOMALIES OF NUCLEAR CRITICALITY, REVISION 6 Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Pacific Northwest Laboratory, February 2010. page 79. «N. THE CRITICALITY OF 239Pu-240Pu METAL MIXTURES»: «The critical mass for 239Pu metal is given as 5.2 and 10 kg for water-reflected and bare spheres, respectively.»

Ссылки

• Дымоизвещатель «РИД-1». Радиоактивный датчик дыма. Плутоний-239 Архивная копия от 20 января 2020 на Wayback Machine (видео)