超铀元素（如钚）会天然存在吗？

约翰·W·波斯顿（John W. Poston, Sr.）是德克萨斯A&M大学核工程系主任，也是美国核学会会员。 他提供了以下解释。

传统观点认为，钚（Pu）在自然界中不存在。 钚和其他所谓的超铀元素被大多数人认为是人造元素。 因此，他们认为当在环境中发现钚时，是人类技术将其放置在那里的。

这种元素通常被认为是合成的，因为它在核反应堆中生产效率最高。 但严格来说，这个问题的答案是肯定的，钚确实天然存在。 钚在自然界中以非常低的浓度出现，在沥青铀矿（铀 (U) 矿石）中约为十万分之一。

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元素钚是诺贝尔奖获得者格伦·T·西博格和他的同事于 1941 年 2 月发现的。 它是第二个被发现的超铀元素； 镎 (Np) 于 1940 年被发现。 加州大学伯克利分校的 60 英寸回旋加速器产生了钚的第一个同位素 Pu-238。 它是通过用氘核轰击 U-238 靶材制成的，产生了 Np-238。 这种材料具有短暂的放射性半衰期——样品中一半原子衰变或转变所需的时间——为 2.12 天。 放射性核素 Np-238 衰变（通过发射 β 辐射）为 Pu-238，其半衰期为 87.7 年。

同位素 Pu-239 于 1941 年 3 月 28 日通过用中子轰击 U-238 靶材产生 U-239（半衰期为 23.5 分钟）而产生。 该放射性核素通过 β 衰变发射到 Np-239（半衰期为 2.12 天），随后 Np-239 通过 β 衰变发射到 Pu-239（半衰期非常长，为 24,600 年）。

钚是通过上述相当好理解的过程在自然界中产生的。 铀是一种天然存在的元素，在地球地壳中普遍存在。 铀同位素主要通过 α 粒子发射衰变，但也有一种称为“自发裂变”的过程，偶尔会与 α 衰变竞争。

在自发裂变中，原子核分裂（“裂变”）并释放出额外的中子。 这些释放的中子有可能被另一个 U-238 核吸收（俘获）。 如果发生这种情况，它会触发一个过程，以类似于上面讨论的方式产生 Pu-239。 因此，我们在环境中自然产生了钚（诚然是痕量）。 这种反应自地球形成以来就一直在进行。

1971 年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的达琳·霍夫曼 (Darlene Hoffman) 在环境中发现了另一种钚同位素的痕量。 在南加州的前寒武纪磷酸盐中发现了 Pu-244。 这种钚同位素的放射性半衰期为 8000 万年。 科学家们推测，由于其放射性半衰期较长，这种同位素自大约 45 亿年前地球形成以来就已存在。

一些科学家还怀疑，在地球形成时，地壳中存在另一种钚同位素 (Pu-241)。 原因是 Pu-241 的放射性子体（子体放射性核素）表现出与 U-235、U-238 和钍-232 的某些相似性质。 但是，尽管其他三种放射性核素的半衰期非常长，与地球的年龄相当，但 Pu-241 的半衰期很短，约为 13 年。 因此，它会在科学家发现它之前很久就衰变消失了。

目前，地球环境中发现的大部分钚来自人类活动——特别是大气中的核武器试验。 联合国原子辐射影响科学委员会 (UNSCEAR) 估计，早期的地面核武器试验向大气中释放了约三吨 Pu-239/240； 近 80% 的大气钚位于北半球。

在地面以上进行核武器试验的做法已基本停止，但环境中仍有一些钚，包括高层大气中。 此外，在美国和俄罗斯的一些核设施附近也存在少量（但可测量）的钚。

因此，与流行的看法相反，钚确实天然存在于环境中，而不仅仅是一种人造材料。 格伦·西博格认为，也许我们应该重新思考天然元素的数量，并认识到实际上有 94 种天然元素，而不是 92 种。

加利福尼亚州克莱蒙特的哈维穆德学院的物理学家格雷戈里·A·莱曾加 (Gregory A. Lyzenga) 补充了以下信息。

钚确实天然存在，但浓度非常低。 事实上，除了非常灵敏的现代分析技术外，它几乎无法观察到。 钚（和其他超铀元素）在自然界中如此稀有的原因是，它们具有放射性，会以特征半衰期衰变。

构成地球的所有重元素都是在超新星爆炸期间的核反应中形成的，这些爆炸发生在地球形成之前的数百万甚至数十亿年前。 在那时形成的任何半衰期远小于地球年龄（或 45 亿年）的元素，现在几乎都已衰变成较轻的元素。

除了可能自地球形成以来就存在的少量钚原子外，环境中还通过自然发生的核反应（例如，涉及宇宙射线的核反应）维持着非常少量、稳定的此类不稳定元素的库存。 即使如此，水平仍然非常低