超鈾元素（如鈽）會天然存在嗎？

約翰·W·波斯頓（John W. Poston, Sr.）是德克薩斯A&M大學核工程系主任，也是美國核學會會員。 他提供了以下解釋。

傳統觀點認為，鈽（Pu）在自然界中不存在。 鈽和其他所謂的超鈾元素被大多數人認為是人造元素。 因此，他們認為當在環境中發現鈽時，是人類技術將其放置在那裡的。

這種元素通常被認為是合成的，因為它在核反應堆中生產效率最高。 但嚴格來說，這個問題的答案是肯定的，鈽確實天然存在。 鈽在自然界中以非常低的濃度出現，在瀝青鈾礦（鈾 (U) 礦石）中約為十萬分之一。

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元素鈽是諾貝爾獎獲得者格倫·T·西博格和他的同事於 1941 年 2 月發現的。 它是第二個被發現的超鈾元素； 錼 (Np) 於 1940 年被發現。 加州大學伯克利分校的 60 英寸迴旋加速器產生了鈽的第一個同位素 Pu-238。 它是透過用氘核轟擊 U-238 靶材製成的，產生了 Np-238。 這種材料具有短暫的放射性半衰期——樣品中一半原子衰變或轉變所需的時間——為 2.12 天。 放射性核素 Np-238 衰變（透過發射 β 輻射）為 Pu-238，其半衰期為 87.7 年。

同位素 Pu-239 於 1941 年 3 月 28 日透過用中子轟擊 U-238 靶材產生 U-239（半衰期為 23.5 分鐘）而產生。 該放射性核素透過 β 衰變發射到 Np-239（半衰期為 2.12 天），隨後 Np-239 透過 β 衰變發射到 Pu-239（半衰期非常長，為 24,600 年）。

鈽是透過上述相當好理解的過程在自然界中產生的。 鈾是一種天然存在的元素，在地球地殼中普遍存在。 鈾同位素主要透過 α 粒子發射衰變，但也有一種稱為“自發裂變”的過程，偶爾會與 α 衰變競爭。

在自發裂變中，原子核分裂（“裂變”）並釋放出額外的中子。 這些釋放的中子有可能被另一個 U-238 核吸收（俘獲）。 如果發生這種情況，它會觸發一個過程，以類似於上面討論的方式產生 Pu-239。 因此，我們在環境中自然產生了鈽（誠然是痕量）。 這種反應自地球形成以來就一直在進行。

1971 年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的達琳·霍夫曼 (Darlene Hoffman) 在環境中發現了另一種鈽同位素的痕量。 在南加州的前寒武紀磷酸鹽中發現了 Pu-244。 這種鈽同位素的放射性半衰期為 8000 萬年。 科學家們推測，由於其放射性半衰期較長，這種同位素自大約 45 億年前地球形成以來就已存在。

一些科學家還懷疑，在地球形成時，地殼中存在另一種鈽同位素 (Pu-241)。 原因是 Pu-241 的放射性子體（子體放射性核素）表現出與 U-235、U-238 和釷-232 的某些相似性質。 但是，儘管其他三种放射性核素的半衰期非常長，與地球的年齡相當，但 Pu-241 的半衰期很短，約為 13 年。 因此，它會在科學家發現它之前很久就衰變消失了。

目前，地球環境中發現的大部分鈽來自人類活動——特別是大氣中的核武器試驗。 聯合國原子輻射影響科學委員會 (UNSCEAR) 估計，早期的地面核武器試驗向大氣中釋放了約三噸 Pu-239/240； 近 80% 的大氣鈽位於北半球。

在地面以上進行核武器試驗的做法已基本停止，但環境中仍有一些鈽，包括高層大氣中。 此外，在美國和俄羅斯的一些核設施附近也存在少量（但可測量）的鈽。

因此，與流行的看法相反，鈽確實天然存在於環境中，而不僅僅是一種人造材料。 格倫·西博格認為，也許我們應該重新思考天然元素的數量，並認識到實際上有 94 種天然元素，而不是 92 種。

加利福尼亞州克萊蒙特的哈維穆德學院的物理學家格雷戈裡·A·萊曾加 (Gregory A. Lyzenga) 補充了以下資訊。

鈽確實天然存在，但濃度非常低。 事實上，除了非常靈敏的現代分析技術外，它幾乎無法觀察到。 鈽（和其他超鈾元素）在自然界中如此稀有的原因是，它們具有放射性，會以特徵半衰期衰變。

構成地球的所有重元素都是在超新星爆炸期間的核反應中形成的，這些爆炸發生在地球形成之前的數百萬甚至數十億年前。 在那時形成的任何半衰期遠小於地球年齡（或 45 億年）的元素，現在幾乎都已衰變成較輕的元素。

除了可能自地球形成以來就存在的少量鈽原子外，環境中還透過自然發生的核反應（例如，涉及宇宙射線的核反應）維持著非常少量、穩定的此類不穩定元素的庫存。 即使如此，水平仍然非常低