พลูโทเนียม-244 ไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดของพลูโทเนียม

พลูโทเนียม-244 (Plutonium-244 หรือ ²⁴⁴Pu) เป็นไอโซโทปหนึ่งของธาตุพลูโทเนียมที่มีคุณสมบัติโดดเด่นในด้านความเสถียรเมื่อเทียบกับไอโซโทปอื่น ๆ ของธาตุชนิดเดียวกัน โดยมีค่าครึ่งชีวิต (Half-life) ยาวนานถึง 81.3 ล้านปี ซึ่งถือเป็นค่าครึ่งชีวิตที่ยาวที่สุดในบรรดาไอโซโทปทั้งหมดของพลูโทเนียม

นอกจากนี้ พลูโทเนียม-244 ยังมีอายุขัยยาวนานกว่าไอโซโทปใด ๆ ของธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่าบิสมัท (Bismuth) ยกเว้นธาตุที่มีความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติเพียงสามชนิด ได้แก่ ยูเรเนียม-235 (ครึ่งชีวิต 704 ล้านปี), ยูเรเนียม-238 (ครึ่งชีวิต 4.463 พันล้านปี) และทอเรียม-232 (ครึ่งชีวิต 14.0 พันล้านปี) ด้วยเหตุนี้ พลูโทเนียม-244 จึงถูกพิจารณาว่าเป็นผู้สมัครที่มีความเป็นไปได้สูงในการเป็นธาตุดั้งเดิม (Primordial element) ที่มีอายุสั้นที่สุดที่ยังคงหลงเหลืออยู่บนโลก แม้ว่าจะยังไม่มีการพิสูจน์ได้อย่างเบ็ดเสร็จก็ตาม

การปรากฏตามธรรมชาติและการตรวจวัด

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 มีการรายงานการตรวจพบพลูโทเนียม-244 ในธรรมชาติ ซึ่งทำให้เชื่อกันว่ามันเป็นนิวไคลด์ดั้งเดิมที่มีอายุสั้นที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องด้วยอายุของโลกนั้นมากกว่าค่าครึ่งชีวิตของ ²⁴⁴Pu ถึงประมาณ 56 เท่า ปริมาณที่หลงเหลืออยู่จึงควรมีน้อยมาก

การศึกษาในอดีตโดย Hoffman และคณะ ได้ประมาณการปริมาณ ²⁴⁴Pu ในแร่บาสนาไซต์ (Bastnasite) ไว้ที่ประมาณ 1.0 × 10⁻¹⁸ กรัมต่อกรัม ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณในเปลือกโลกที่ต่ำถึง 3 × 10⁻²⁵ กรัมต่อกรัม (หรือมวลรวมของพลูโทเนียม-244 ในเปลือกโลกมีเพียงประมาณ 9 กรัม)

อย่างไรก็ตาม การตรวจวัดในระยะหลังที่มีความละเอียดสูงขึ้นโดยใช้เทคนิค Accelerator Mass Spectrometry (AMS) กลับไม่สามารถยืนยันการมีอยู่ของพลูโทเนียม-244 ในปริมาณดังกล่าวได้ โดยการศึกษาในปี 2012 และ 2022 พบว่าปริมาณ ²⁴⁴Pu ในแร่บาสนาไซต์จากเหมือง Bayan Obo มีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดที่ตรวจวัดได้ (น้อยกว่า 2.1 × 10⁻²⁰ กรัมต่อกรัม) ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการตรวจพบในปี 1971 อาจไม่ใช่สัญญาณของพลูโทเนียม-244 ดั้งเดิม

ทั้งนี้ มีการตรวจพบพลูโทเนียม-244 จากฝุ่นระหว่างดาว (Interstellar dust) ในตะกอนทางทะเลและหินจากมหาสมุทรแปซิฟิก แต่สิ่งนี้แตกต่างจากการเป็นนิวไคลด์ดั้งเดิม เพราะเป็นการเติมเต็มจากภายนอกระบบสุริยะ ไม่ใช่สิ่งที่ก่อตัวขึ้นพร้อมกับเนบิวลาสุริยะ

บทบาทในฐานะนิวไคลด์ที่สูญพันธุ์แล้ว (Extinct Radionuclide)

พลูโทเนียม-244 ถูกจัดเป็นหนึ่งในนิวไคลด์ที่สูญพันธุ์แล้ว ซึ่งหมายถึงธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในช่วงการก่อตัวของระบบสุริยะแต่สลายตัวไปเกือบหมดในปัจจุบัน

เนื่องจากมีครึ่งชีวิต 81.3 ล้านปี ²⁴⁴Pu จึงกระจายตัวไปทั่วระบบสุริยะก่อนที่จะสลายตัวไป การสลายตัวของมันทำให้เกิดไอโซโทปของซีนอน (Xenon) ที่เกิดจากการแบ่งนิวเคลียส (Fissiogenic xenon) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ใช้เป็นเครื่องมือในการกำหนดอายุเหตุการณ์ในช่วงต้นของระบบสุริยะ

• การกำหนดอายุโลก: การวิเคราะห์ข้อมูลจากเนื้อโลก (Mantle) บ่งชี้ว่าประมาณ 30% ของซีนอนที่เกิดจากการแบ่งนิวเคลียสมาจากการสลายตัวของ ²⁴⁴Pu ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปว่าโลกก่อตัวขึ้นหลังจากระบบสุริยะก่อตัวประมาณ 50–70 ล้านปี
• หลักฐานจากอุกกาบาต: การวิเคราะห์ตัวอย่างจากอุกกาบาต Pasamonte และ Kapoeta พบสเปกตรัมของซีนอนที่ตรงกับตัวอย่าง ²⁴⁴Pu ในห้องปฏิบัติการ ยืนยันว่า ²⁴⁴Pu เป็นต้นกำเนิดของความผิดปกติของไอโซโทปซีนอนในอุกกาบาต
• หลักฐานจากดวงจันทร์: การศึกษาผลึก whitlockite ในหินดวงจันทร์จากภารกิจ Apollo 14 พบร่องรอยการแบ่งนิวเคลียสของ ²⁴⁴Pu ที่สอดคล้องกับช่วงเวลาการก่อตัวของระบบสุริยะ

ข้อสังเกตที่สำคัญคือ พลูโทเนียม-244 ไม่สามารถตรวจพบได้จากการวิเคราะห์ไอโซโทปของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัว (Decay products) เนื่องจากมันสลายตัวกลายเป็นทอเรียม-232 ซึ่งเป็นไอโซโทปดั้งเดิมเพียงชนิดเดียวของธาตุนั้น ทำให้ไม่สามารถแยกแยะปริมาณที่เกิดจาก ²⁴⁴Pu ได้

การผลิตและการเกิดขึ้น

พลูโทเนียม-244 แตกต่างจากไอโซโทปอื่น ๆ เช่น ²³⁸Pu, ²³⁹Pu หรือ ²⁴⁰Pu ตรงที่มันไม่ถูกผลิตขึ้นในปริมาณมากจากวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เนื่องจากกระบวนการจับนิวตรอน (Neutron capture) ของ ²⁴²Pu จะทำให้เกิด ²⁴³Pu ซึ่งมีครึ่งชีวิตสั้นมาก (ประมาณ 5 ชั่วโมง) และสลายตัวเป็นอะเมริเซียม-243 (Americium-243) อย่างรวดเร็ว ก่อนที่จะมีโอกาสจับนิวตรอนเพิ่มเพื่อกลายเป็น ²⁴⁴Pu ในสภาพแวดล้อมที่มีฟลักซ์นิวตรอนต่ำ

ปัจจุบันปริมาณสำรองของ ²⁴⁴Pu ทั่วโลกมีอยู่เพียงประมาณ 20 กรัม และเป็นส่วนประกอบเพียงเล็กน้อยในฝุ่นกัมมันตรังสีจากการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ (Thermonuclear fallout)