Plutonium () on raskas, aktinoideihin kuuluva radioaktiivinen ja metallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Pu, järjestysluku 94 ja CAS-numero 7440-07-5. Plutoniumin sulamispiste on 639,4 °C ja tiheys 19816 kg/m³. Plutonium on myrkyllinen raskasmetalli. Se kuuluu transuraaneihin, ja luonnossa sitä on vain mitättömiä määriä. Sitä on kuitenkin 1940-luvulta lähtien valmistettu keinotekoisesti ydinreaktioiden avulla. Plutoniumilla ei ole yhtään stabiilia isotooppia, ja pisin puoliintumisaika on isotoopilla 244Pu, jonka puoliintumisaika on yli 80 miljoonaa vuotta. Plutoniumilla on seitsemän eri allotrooppista muotoa.
Plutoniumin tunnetuin käyttökohde ovat ydinaseet, joista esimerkki on toisen maailmansodan aikana Nagasakiin pudotettu Fat Man. Ydinasekäyttöön soveltuu vain fissiili 239Pu-isotooppi, jonka isotooppinen puhtaus tai/eli väkevöintiaste pitää olla yli 90 %. Plutoniumia voidaan käyttää myös ydinpolttoaineena, jolloin fissioituva ja ketjureaktioon soveltuva nuklidi on myös 241Pu.
Plutoniumia voidaan käyttää energianlähteenä myös ydinparistoissa, joita käytetään avaruusluotaimissa. Niissä käytettävä isotooppi on erittäin aktiivinen alfasäteilijä 238Pu. Plutoniumin ytimestä lähtevien alfa-hiukkasten liike-energia muuttuu paristossa sähköenergiaksi. Tällöin 238Pu ei ole ydinpolttoaine sanan perinteisessä merkityksessä, sillä energiantuotto ei perustu ketjureaktioon. 238Pu-isotooppia ei synny lainkaan tavanomaisissa U-235:a polttoaineenaan käyttävissä ydinreaktoreissa ja sitä valmistetaan pommittamalla uraania deuteroneilla.http://4.bp.blogspot.com/_VyTCyizqrHs/TCWrO7OFt4I/AAAAAAAAIFI/Ll76hclkzGw/s1600/nuclearfuelchanges.jpg
Ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet thumb|left|150px|Metallinen plutoniumrengas. Plutonium on melko poikkeuksellinen alkuaine. Plutoniumilla on seitsemän eri allotrooppista muotoa, joista kuusi esiintyy normaalissa paineessa, mutta eri lämpötiloissa ja seitsemäs korkeissa paineissa. Allotrooppisten muotojen energiatasot ovat melko samanlaiset, mutta niiden tiheydet poikkeavat suurimmillaan jopa 25 %. Tiheyksien poikkeamat tekevät plutoniumin herkäksi lämpötilan, paineen sekä kemiallisen ympäristön muutoksille. Gallium stabiloi plutoniumin delta-allotropiaan. Puhtaana metallina plutonium on hopeinen, mutta tummenee keltaisemmaksi ja haurastuu hapettuessaan. Plutoniumin alfasäteily tekee sen kuumaksi koskettaa, ja suurella kappaleella plutoniumia voidaan kiehauttaa vettä, jos kappale sisältää riittävästi 238Pu tai muuta nopeasti hajoavaa isotooppia.
Plutoniumin sulamispiste on matala, noin 640 °C, ja kiehumispiste noin 3 230 °C. Plutoniumin jähmettyessä sen tilavuus kasvaa, mikä on harvinaista. Plutonium reagoi ilman kanssa, jolloin syntyy plutoniumdioksidia, jonka sulamispiste on noin 2 400 °C. Plutonium on paramagneettinen ja voi toimia johtimena. Plutoniumin metallisäde on uraania ja neptuniumia lukuun ottamatta muihin aktinoideihin verrattuna pieni, minkä takia sen metallisidoksissa on vähemmän elektroneja. Plutoniumin viskositeetti ja pintajännitys ovat hyvin korkeita.Greenwood & Earnshaw s. 1264
Kemialliset ominaisuudet thumb|left|150px|Plutoniumin eri hapetusasteita ja niiden värejä. thumb|left|150px|20 μg plutoniumhydroksidia koeputkessa. Plutonium kuuluu sekä aktinoideihin että transuraaneihin. Plutonium on erittäin reaktiivista, ja se on elektropositiivista. Plutoniumilla on useita hapetusasteita: +III, +IV, +V, +VI sekä +VII. Näistä yleisimpiä ovat +IV sekä +III. +VII voidaan saavuttaa vain erittäin hapettavissa olosuhteissa. Plutonium reagoi ilman hapen kanssa hapettuen plutoniumoksidiksi (PuO) tai plutoniumdioksidiksi (PuO2). Plutonium liukenee runsaasti väkevään suolahappoon, vetyjodidiin ja perkloorihappoon muodostaen Pu3+-ionin. Rikkihappoon se ei sen sijaan liukene, vaan passivoituu. Plutonium reagoi monien epämetallien kanssa, erityisesti kuumennettaessa, mutta ei reagoi emästen kanssa. Plutonium voi syttyä itsestään kuumassa lämpötilassa.
Plutoniumin elektronikonfiguraatio on 5f67s2. Tämän energia on hyvin lähellä 5f57s26d1 konfiguraation energiaa. Kumpikin konfiguraatio on mahdollinen, ja ne vaihtelevat plutoniumatomien välillä. Tämä johtaa plutoniumin kemiallisten ominaisuuksien monimutkaisuuteen, sillä ulkoelektronien sijoittuminen vaikuttaa plutoniumatomien välisiin sidoksiin, plutoniumin komplekseihin sekä plutoniumin sidoksiin muihin alkuaineisiin.
Plutoniumin yhdisteitä Plutonium esiintyy vesiliuoksissa erilaisina ioneina hapetusluvuilla +III–+VII: PuO22+ (vaaleanpunainen, oranssi), PuO2+ (vaaleanpunainen) sekä PuO52– (tummanpunainen). Näistä PuO52– muodostuu vain erittäin hapettavissa olosuhteissa ja PuO2+ disproportioituu eli hajoaa muodostaen Pu4+- (keltainen, ruskea) ja PuO22+-ioneja (ruskehtava tai oranssi). Erilaisten muotojen suuri määrä johtuu vain pienistä energiatilaeroista eri hapetusasteiden kesken. Happamissa olosuhteissa alhaisemman hapetusluvun omaavat muodot ovat stabiileja, ja korkeammat hapetusluvut puolestaan esiintyvät tyypillisesti emäksisissä oloissa. Korkeimmalla hapetusasteellaan +VII plutonium esiintyy litiumin ja hapen kanssa muodostamassaan yhdisteessä, Li5[PuO6], joka on stabiili. Ilman hapen kanssa se yhtyy joko plutoniumoksidiksi (PuO) tai plutoniumdioksidiksi (PuO2). Plutonium muodostaa yhdisteitä myös halogeenien kanssa (PuF3, PuF4, PuF6, PuCl3, PuI3, PuBr3). Se reagoi myös hiilen (PuC), typen (PuN) sekä piin kanssa (PuSi2). Plutonium voi olla myös mukana oksohalideissa muodostaen muun muassa plutoniumoksokloridin (PuOCl), plutoniumoksobromidin (PuOBr) ja plutoniumoksojodidin (PuOI). Plutonium muodostaa myös hydridin PuH2, joka ei ole stabiili.Greenwood & Earnshaw s. 1267
Plutoniumdioksidi muodostaa erilaisia komplekseja karbonaatin (CO32–), hydroksidin (OH–), nitriitin (NO2–) ja nitraatin (NO3–) kanssa. Komplekseille on tyypillistä, että niissä on ligandina kova Lewis-happo. Plutoniumista tunnetaan myös monia komplekseja orgaanisten yhdisteiden, kuten EDTA:n, kanssa.
Plutonium muodostaa myös organometalliyhdisteitä. Näistä esimerkkeinä ovat muun muassa Pu(C5H</sub>)3 ja Pu(C8H8)2.Greenwood & Earnshaw s. 1278–1279 2PuCl3 + 3Be(C5H</sub>)2 → 2Pu(C5H</sub>)3 + 3BeCl2 PuCl4 + 2K2C8H8 → [Pu(C8H8)2] + 4KCl
Haitallisuus ja suojautuminen Plutonium on raskasmetalli ja radioaktiivinen ja siten haitallinen elimistön sisälle joutuessaan. Käytännössä plutoniumia esiintyy kuitenkin niin pieniä määriä, että merkityksellisen annoksen saaminen on äärimmäisen harvinaista. Ydintekniikan historia tuntee eräitä tapauksia tapaturmaisesta plutoniumin nielemisestä tai hengittämisestä, lähinnä plutoniumin käsittelystä laboratoriossa, mutta yhdessäkään tapauksessa elimistöön joutunut annos ei ole lähestynyt hengenvaarallista. Näin ollen pohdinta plutoniumin vaarallisuudesta myrkkynä perustuu lähinnä plutoniumin biokemian teoreettiselle tarkastelulle ja eläinkokeille.Voelz, G.: Plutonium and Health, How great is the risk? Los Alamos Science, 26/2000.
Myrkyllisyyttä mitataan yleensä ns. LD50-annoksella. Tällä tarkoitetaan annosta, joka riittää tappamaan 50 % koe-eläimistä. Plutoniumin myrkyllisyys on samankaltaista kuin muillakin raskasmetalleilla. Rotilla tehdyissä kokeissa saatiin suonensisäisesti annostellun plutoniumin myrkyllisyydeksi LD50 = 1,4 mgPu/kg, eli suurin piirtein sama kuin esimerkiksi nikotiinilla. Voimakkaasti myrkyllisistä aineista, kuten dioksiineista, se jää selvästi jälkeen.Newell, Stannard J.: Radioactivity and Health. Battelle Press, 1988.
Kehon ulkona ollessaan plutonium ei ole vaarallista. Plutoniumin tuottama säteily on alfasäteilyä, joka pysähtyy ihon uloimpaan, kuolleista ihosoluista koostuvaan kerrokseen eikä vaikuta kehon biologisiin prosesseihin. Plutoniumia käsiteltäessä täytyy käyttää käsineitä ja hengityssuojainta sen varmistamiseksi, ettei sitä vahingossa päädy nieluun tai nenään.
Yhdysvaltojen lääketieteellisen fysiikan seuran kanta on, että plutoniumin vaarallisuutta yleisesti ottaen liioitellaan ottaen huomioon, että kukaan ei ole koskaan kuollut plutoniummyrkytykseen ja että lievätkin myrkytystapaukset ovat äärimmäisen harvinaisia. Plutoniumin käsittely tapahtuu lähes yksinomaan laboratoriossa tai suljetussa ydinpolttoainekierrossa, joten väestön altistuminen sille on äärimmäisen epätodennäköistä ainakin verrattuna huomattavasti radioaktiivisempiin (kuten luonnossa esiintyvä radon) ja myrkyllisempiin (kuten savukaasuissa esiintyvät dioksiinit) aineisiin.
Historia thumb|150px|Plutoniumin löytäjänä pidetty Glenn Seaborg sai vuonna 1951 Nobelin kemianpalkinnon transuraanien tutkimisesta. Vuonna 1940 kaksi toisistaan riippumatonta ryhmää (Edwin McMillanin ja Philip H. Abelsonin ryhmä sekä Egon Bretscherin ja Norman Featherin ryhmä) ennustivat neptuniumin ja plutoniumin löytymisen. Joulukuussa 1940 Glenn Seaborgin johtama tutkimusryhmä pommitti uraanin isotooppia 238 deuteriumin ioneilla syklotronissa. Tästä syntyi neptuniumin isotooppia 238. He huomasivat, että syntynyt ydin hajosi β--hajoamisen kautta, jolloin syntyi uusi alkuaine, plutonium. Maaliskuussa 1941 tutkijat löysivät plutoniumin isotoopin 239, joka hajosi spontaanin fission kautta. Löytö pidettiin koko toisen maailmansodan ajan salassa. Syyskuussa 1942 plutoniumia eristettiin ja mitattiin ensimmäisen kerran. Manhattan-projektin aikana rakennetuissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa ja Hanford Sitessa valmistettiin plutoniumia. Vuonna 1945 yhdysvaltalaisilla oli useita kiloja radioaktiivista plutoniumia, joista he rakensivat kolme ydinpommia. 16. heinäkuuta 1945 räjäytettiin New Mexicossa ensimmäinen ydinpommi. Toisen maailmansodan aikana, 9. elokuuta Yhdysvallat pudotti Nagasakiin Fat Man -ydinpommin, jonka polttoaineena oli plutoniumia.
Toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen Manhattan-projektiin osallistuneet tutkijat selvittivät Yhdysvalloissa, miten plutonium vaikuttaa ihmisiin ja muihin eläimiin. Potilaisiin pistettiin ainetta tavallisesti 5 mikrogrammaa. Kokeissa käytetyt potilaat olivat joko kuolemansairaita tai heillä oli alle kymmenen vuotta elinaikaa kroonisen sairauden takia. Heitä tutkittiin, jotta voitiin parantaa mittausvälineitä, joita käytettiin ydinaseita valmistavien ihmisten tutkimiseen. Myöhemmin testejä on kritisoitu voimakkaasti eettisten sääntöjen ja Hippokrateen valan rikkomisesta.
Toisen maailmansodan jälkeen sekä Yhdysvallat että Neuvostoliitto valmistivat suuria määriä plutoniumia. Arvioiden mukaan vuoteen 1982 mennessä oli valmistettu 300 tonnia plutoniumia. Kylmän sodan jälkeen plutoniumin loppusijoittamisesta keskusteltiin paljon. Vuonna 2002 Yhdysvaltain energiaministeriö otti vastaan 34 tonnia plutoniumia puolustusministeriöltä. Vuonna 2003 energiaministeriö rikasti polttoaineuraania plutoniumoksidilla, jolloin muodostui MOX-polttoainetta, jota voidaan käyttää ydinvoimaloiden polttoaineena.
Plutonium on saanut nimensä Pluto-nimisen kääpiöplaneetan mukaan, sillä sitä jaksollisessa järjestelmässä edeltävät alkuaineet uraani (Uranus) ja neptunium (Neptunus) on nimetty planeettojen mukaan. Plutoa pidettiin tuohon aikaan vielä planeettana, mutta se menetti asemansa vuonna 2006, sillä sen havaittiin olevan vain yksi Kuiperin vyöhykkeen kappaleista. Myös ensimmäisinä löydettyjä asteroideja oli aluksi pidetty planeettoina ja alkuaineet cerium ja palladium on nimetty kääpiöplaneetta Cereksen (ensinnä löydetty asteroidi) ja toisena löydetyn Pallaksen mukaan.Hubble Images of Asteroids Help Astronomers Prepare for Spacecraft Visit
Seaborg halusi plutoniumin lyhenteeksi Pu eikä Pl, koska Pu lausutaan englanniksi pee-you (viittaa virtsaamiseen) tai pee-yoo (viittaa pieruun). Seaborgin ryhmän jäsenet olisivat toivoneet alkuaineen nimeksi joko ultinium tai extremium, koska he uskoivat löytäneensä jaksollisen järjestelmän viimeisen alkuaineen.
Esiintyminen ja tuottaminen thumb|350px|Alempana näkyy uraanin isotoopin 238 hajoamissarja, jonka tuotteena syntyy plutoniumia.