ما هو البلوتونيوم؟ خصائصه واستخداماته ولماذا هو مشع؟

قد يرتبط اسم البلوتونيوم في أذهان الكثيرين بالأسلحة النووية، لكن قصة هذا العنصر أكثر تعقيدًا من ذلك بكثير. فهو عنصر فلزي مشع، لعب دورًا في تاريخ العصر النووي، ويمكن لبعض نظائره أن تُستخدم أيضًا في إنتاج الطاقة وتشغيل مركبات فضائية تستكشف مناطق بعيدة عن الشمس.

يحمل البلوتونيوم الرمز الكيميائي Pu والعدد الذري 94، ما يعني أن نواة كل ذرة منه تحتوي على 94 بروتونًا. وهو ينتمي إلى مجموعة العناصر المعروفة باسم الأكتينيدات في الجدول الدوري.

لكن لماذا البلوتونيوم مشع؟ وهل يوجد في الطبيعة؟ وما الفرق بين أشهر نظائره؟ وهل هو فعلًا من أخطر المواد على الإنسان؟

ما هو البلوتونيوم؟

البلوتونيوم Plutonium عنصر كيميائي فلزي مشع يحمل الرمز Pu والعدد الذري 94.

ويظهر البلوتونيوم النقي في صورة معدن فضي اللون، لكنه شديد النشاط من الناحية الإشعاعية، ولا يوجد في الطبيعة بكميات كبيرة يمكن الاعتماد عليها.

معظم البلوتونيوم الموجود حاليًا نتج بصورة صناعية، خصوصًا داخل المفاعلات النووية عندما تتعرض ذرات اليورانيوم للنيوترونات. وتوجد في الطبيعة فقط كميات ضئيلة للغاية منه.

من اكتشف البلوتونيوم؟

تم إنتاج البلوتونيوم والتعرف عليه للمرة الأولى عام 1940 في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.

وضم الفريق المرتبط باكتشافه علماء من بينهم:

• جلين سيبورج Glenn Seaborg
• إدوين ماكميلان Edwin McMillan
• جوزيف كينيدي Joseph Kennedy
• آرثر وال Arthur Wahl

أنتج العلماء العنصر الجديد خلال تجارب نووية أجريت على اليورانيوم، ثم تمكنوا من إثبات أن العنصر الجديد يحمل العدد الذري 94.

لماذا سمي البلوتونيوم بهذا الاسم؟

جاء اسم البلوتونيوم استكمالًا لطريقة تسمية عناصر أخرى قريبة منه في الجدول الدوري.

فقد سُمي:

اليورانيوم Uranium نسبة إلى كوكب أورانوس.

النبتونيوم Neptunium نسبة إلى كوكب نبتون.

ثم جاء البلوتونيوم Plutonium بعد اكتشاف بلوتو، الذي كان يُصنف وقتها كوكبًا.

وكان اختيار الأسماء يتبع تقريبًا ترتيب هذه الأجرام في النظام الشمسي كما كان معروفًا آنذاك.

هل البلوتونيوم موجود في الطبيعة؟

نعم، لكن بكميات ضئيلة للغاية.

ولهذا يقال عادة إن البلوتونيوم عنصر من صنع الإنسان، لأن تقريبًا كل الكميات المستخدمة منه اليوم أُنتجت داخل المنشآت النووية.

وتوضح هيئة التنظيم النووي الأمريكية أن البلوتونيوم يوجد طبيعيًا فقط في آثار صغيرة، بينما ينتج معظمه عندما تمتص ذرات اليورانيوم نيوترونات داخل المفاعل النووي.

لماذا البلوتونيوم مشع؟

نواة ذرة البلوتونيوم غير مستقرة.

ومع مرور الوقت تتحلل الذرات تلقائيًا وتطلق إشعاعًا أثناء تحولها إلى نوى أخرى أكثر استقرارًا.

وتصدر معظم نظائر البلوتونيوم إشعاعات من نوع جسيمات ألفا، إلى جانب أنواع أخرى من الإشعاع بدرجات مختلفة.

وجسيمات ألفا لا تستطيع اختراق الجلد السليم بسهولة، لكن الخطر يصبح أكبر بكثير إذا دخلت مادة تحتوي على البلوتونيوم إلى الجسم عن طريق الاستنشاق أو غيره، لأن الأنسجة عندها تصبح قريبة مباشرة من مصدر الإشعاع.

ما هي نظائر البلوتونيوم؟

مثل كثير من العناصر، يوجد البلوتونيوم في صورة عدة نظائر Isotopes.

جميع ذرات البلوتونيوم تحتوي على 94 بروتونًا، لكن عدد النيوترونات داخل النواة يختلف من نظير إلى آخر.

ومن النظائر المعروفة:

• البلوتونيوم-238
• البلوتونيوم-239
• البلوتونيوم-240
• البلوتونيوم-241
• البلوتونيوم-242

وتختلف هذه النظائر في أعمارها النصفية وخصائصها الإشعاعية واستخداماتها.

ما الفرق بين البلوتونيوم-238 والبلوتونيوم-239؟

الفرق بين النظيرين مهم جدًا.

البلوتونيوم-238

يُعرف Pu-238 بقدرته على إنتاج الحرارة أثناء التحلل الإشعاعي.

وله عمر نصف يبلغ نحو 88 عامًا، ما يجعله مناسبًا لأنظمة الطاقة طويلة العمر المستخدمة في بعض المركبات الفضائية.

البلوتونيوم-239

أما Pu-239 فيتميز بقدرته على الانشطار النووي، وله عمر نصف يبلغ نحو 24 ألف سنة.

ويمكن أن يوجد ضمن وقود المفاعلات النووية، كما ارتبط تاريخيًا بالأسلحة النووية.

ومن المهم عدم التعامل مع كل أنواع البلوتونيوم وكأنها مادة واحدة ذات الاستخدام نفسه؛ فخصائص النظائر تختلف بصورة كبيرة.

كم يبلغ عمر النصف للبلوتونيوم؟

يعني عمر النصف المدة التي يحتاجها نصف عدد ذرات مادة مشعة معينة لكي تتحلل.

ولا توجد قيمة واحدة لكل البلوتونيوم؛ لأنها تختلف حسب النظير.

على سبيل المثال:

Pu-238: نحو 88 عامًا.

Pu-239: نحو 24,100 عام.

ولهذا يمكن لبعض نظائر البلوتونيوم أن تبقى موجودة لفترات طويلة للغاية.

ما استخدامات البلوتونيوم؟

رغم سمعته المرتبطة بالأسلحة النووية، فإن للبلوتونيوم تطبيقات أخرى.

ومن أبرزها:

إنتاج الطاقة النووية

ينتج البلوتونيوم داخل بعض المفاعلات أثناء تشغيل الوقود المحتوي على اليورانيوم.

ويمكن لبعض نظائر البلوتونيوم أن تنشطر وتساهم في إنتاج الطاقة داخل المفاعل.

استكشاف الفضاء

وهذا من أكثر استخداماته إثارة للاهتمام.

تستخدم وكالة ناسا البلوتونيوم-238 كمصدر للحرارة في أنظمة تسمى Radioisotope Power Systems.

وتحوّل هذه الأنظمة الحرارة الناتجة عن التحلل الطبيعي للبلوتونيوم إلى كهرباء تستطيع تشغيل المركبة وأجهزتها العلمية لسنوات طويلة.

لماذا تستخدم ناسا البلوتونيوم في الفضاء؟

الألواح الشمسية ممتازة بالقرب من الشمس، لكن كلما ابتعدت المركبة الفضائية أصبحت كمية ضوء الشمس المتاحة أقل.

وهنا تظهر ميزة أنظمة الطاقة المعتمدة على النظائر المشعة.

يستطيع البلوتونيوم-238 إنتاج الحرارة باستمرار لسنوات طويلة، ولا يعتمد على وجود ضوء الشمس.

ولهذا استُخدمت أنظمة تعمل بحرارة البلوتونيوم في مهمات فضائية مثل:

Voyager 1

Voyager 2

New Horizons

Curiosity

Perseverance

وتشير ناسا حاليًا إلى وجود خمس مهمات نشطة تستخدم أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة.

هل البلوتونيوم الموجود في مركبات ناسا هو نفسه المستخدم في الأسلحة؟

ليس بالمعنى المبسط الذي قد يتبادر إلى الذهن.

المهمات الفضائية تعتمد أساسًا على البلوتونيوم-238 لإنتاج الحرارة، بينما يرتبط البلوتونيوم-239 أكثر بالانشطار النووي.

وتوضح ناسا صراحة أن Pu-238 المستخدم في أنظمة الطاقة الفضائية ليس نوع البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة النووية.

هل استُخدم البلوتونيوم في الأسلحة النووية؟

نعم.

أصبح البلوتونيوم جزءًا من تاريخ تطوير الأسلحة النووية خلال الحرب العالمية الثانية.

استخدم البلوتونيوم في جهاز اختبار ترينيتي Trinity في يوليو 1945، كما استخدم في القنبلة التي ألقيت على مدينة ناغازاكي اليابانية في أغسطس من العام نفسه.

لكن الاستخدام العسكري ليس الاستخدام الوحيد للبلوتونيوم، كما أن التركيب النظائري المطلوب يختلف باختلاف الغرض.

هل البلوتونيوم سام؟

البلوتونيوم مادة خطرة، لكن وصفه بأنه «أكثر مادة سامة في العالم» ليس وصفًا علميًا دقيقًا.

الخطر الرئيسي المرتبط به يأتي من نشاطه الإشعاعي، خصوصًا إذا دخلت جسيماته إلى الجسم.

وتوضح وكالة ATSDR أن التأثير يعتمد على كمية التعرض ومدته والطريقة التي دخل بها البلوتونيوم إلى الجسم.

ماذا يحدث إذا دخل البلوتونيوم إلى الجسم؟

يختلف الخطر بشدة حسب طريقة التعرض.

عند استنشاق جسيمات تحتوي على البلوتونيوم، قد يبقى جزء منها في الرئتين، ويمكن لبعض المادة التي تدخل الجسم أن تصل مع الوقت إلى أعضاء مثل الكبد والعظام.

وترتبط حالات التعرض المهني المرتفع للبلوتونيوم بزيادة خطر بعض أنواع السرطان، خصوصًا سرطانات الرئة والعظام والكبد.

لكن الوكالة نفسها تشير إلى أن مستويات التعرض المعتادة لمعظم الناس منخفضة للغاية.

هل لمس البلوتونيوم أخطر من استنشاقه؟

إشعاعات ألفا التي يصدرها جزء كبير من البلوتونيوم لها قدرة اختراق محدودة، ويمكن للجلد السليم أن يوفر حاجزًا فعالًا ضدها.

لكن الوضع يختلف عندما تدخل المادة المشعة إلى داخل الجسم عن طريق الاستنشاق أو الابتلاع، إذ تصبح مصدرًا للإشعاع بجوار الأنسجة الداخلية مباشرة.

ولهذا يمثل التلوث الداخلي أحد أهم المخاطر الصحية المرتبطة بالبلوتونيوم.

هل البلوتونيوم ساخن؟

يمكن لبعض نظائر البلوتونيوم أن تولد حرارة بصورة مستمرة بسبب التحلل الإشعاعي.

ويتميز البلوتونيوم-238 بصورة خاصة بإنتاج كمية من الحرارة جعلته مناسبًا لتشغيل مولدات الطاقة الفضائية.

ولا تعني هذه الحرارة أن قطعة عادية من أي نوع من البلوتونيوم ستبدو وكأنها «تحترق»، بل إن الطاقة الناتجة عن التحلل تتحول تدريجيًا إلى حرارة.

ما شكل البلوتونيوم؟

البلوتونيوم النقي معدن فضي اللون.

ويبلغ عدده الذري 94، وتبلغ كثافته في حالته المعدنية نحو 19.7 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب، ما يجعله معدنًا عالي الكثافة.

كما يتميز البلوتونيوم بكيمياء معقدة وله عدة صور بلورية مختلفة يمكن أن تتغير مع درجة الحرارة.

هل البلوتونيوم أقوى من اليورانيوم؟

السؤال بهذه الصيغة ليس دقيقًا؛ لأن كلمة «أقوى» يمكن أن تعني أشياء مختلفة.

البلوتونيوم واليورانيوم عنصران مختلفان، ولكل منهما عدة نظائر ذات خصائص مختلفة.

بعض نظائر كل منهما قابلة للانشطار وتستخدم في التكنولوجيا النووية، لكن لا يمكن ببساطة القول إن عنصرًا بأكمله «أقوى» من الآخر.

ما الفرق بين البلوتونيوم واليورانيوم؟

هناك عدة فروق أساسية.

اليورانيوم عدده الذري 92 ويوجد طبيعيًا في القشرة الأرضية بكميات أكبر بكثير.

أما البلوتونيوم فعدده الذري 94، ومعظم الكميات الموجودة منه أُنتجت صناعيًا.

كلاهما من الأكتينيدات وكلاهما يحتوي على نظائر مشعة، لكن خصائص النظائر واستخداماتها تختلف.

حقائق سريعة عن البلوتونيوم

الرمز الكيميائي: Pu
العدد الذري: 94
المجموعة: الأكتينيدات
حالته في درجة حرارة الغرفة: صلب
مظهره: معدن فضي
طبيعته: مشع
اكتشافه: عام 1940
من أشهر نظائره: Pu-238 وPu-239
أحد أشهر الاستخدامات المدنية: توفير الطاقة لبعض المركبات الفضائية البعيدة.

أسئلة شائعة عن البلوتونيوم

هل البلوتونيوم عنصر طبيعي؟

توجد منه آثار طبيعية ضئيلة جدًا، لكن معظم البلوتونيوم المستخدم أو المخزن في العالم تم إنتاجه صناعيًا.

هل البلوتونيوم مشع؟

نعم، جميع نظائر البلوتونيوم المعروفة مشعة.

هل البلوتونيوم موجود في الجدول الدوري؟

نعم. رمزه Pu وعدده الذري 94 وينتمي إلى مجموعة الأكتينيدات.

هل يستخدم البلوتونيوم في المركبات الفضائية؟

نعم. تستخدم ناسا البلوتونيوم-238 في بعض أنظمة الطاقة الفضائية التي تحول الحرارة الناتجة عن تحلله الإشعاعي إلى كهرباء.

هل دمج البلوتونيوم مع اليورانيوم ضروري لإنتاج الطاقة النووية؟

لا توجد إجابة واحدة لكل المفاعلات؛ فهناك تصميمات وأنواع مختلفة من الوقود النووي. ويمكن للبلوتونيوم الذي يتكون داخل وقود اليورانيوم أن يساهم نفسه في إنتاج جزء من الطاقة عبر الانشطار.

هل البلوتونيوم أخطر مادة عرفها الإنسان؟

لا يوجد تصنيف علمي بسيط يمكن من خلاله وصف مادة واحدة بأنها «أخطر مادة في العالم». البلوتونيوم مادة مشعة خطرة ويتطلب التعامل معها ضوابط صارمة، لكن مستوى الخطر يعتمد على النظير والكمية وطريقة التعرض ومدته.

الخلاصة

البلوتونيوم عنصر فلزي مشع يحمل العدد الذري 94، وتم التعرف عليه للمرة الأولى عام 1940.

وعلى الرغم من ارتباط اسمه تاريخيًا بالأسلحة النووية، فإن بعض نظائره لها تطبيقات أخرى مهمة؛ فالبلوتونيوم-238 مثلًا يوفر مصدرًا طويل العمر للحرارة والطاقة في مهمات فضائية لا يمكن الاعتماد فيها بسهولة على ضوء الشمس.

وتكمن خطورة البلوتونيوم الأساسية في نشاطه الإشعاعي، خصوصًا عند دخول مادته إلى الجسم، ولهذا يخضع إنتاجه واستخدامه وتخزينه لرقابة وإجراءات حماية صارمة.

المصادر

Royal Society of Chemistry – Plutonium: properties and history.
U.S. Nuclear Regulatory Commission – What is Plutonium?
ATSDR/CDC – Plutonium and health effects.
NASA – Plutonium-238 and Radioisotope Power Systems.