Plutonium (₉₄Pu) adalah sebuah unsur buatan, kecuali sebagai jumlah renik yang dihasilkan dari penangkapan neutron oleh uranium, sehingga berat atom standarnya tidak dapat diberikan. Seperti semua unsur sintetis lainnya, ia tidak memiliki satu pun isotop stabil. Ia disintesis jauh sebelum ia ditemukan di alam, isotop pertama yang disintesis adalah ²³⁸Pu pada tahun 1940. Dua puluh radioisotop plutonium telah dikarakterisasi. Yang paling stabil adalah ²⁴Pu dengan waktu paruh 80,8 juta tahun, ²⁴²Pu dengan waktu paruh 373.300 tahun, dan ²³⁹Pu dengan waktu paruh 24.110 tahun. Semua isotop radioaktif yang tersisa memiliki waktu paruh yang kurang dari 7.000 tahun. Unsur ini juga memiliki delapan status meta; semuanya memiliki waktu paruh kurang dari satu detik.

Isotop plutonium memiliki berat atom berkisar mulai dari 228,0387 u (²²⁸Pu) hingga 247,074 u (²⁴⁷Pu). Mode peluruhan utama sebelum isotop paling stabil, ²⁴⁴Pu, adalah fisi spontan dan emisi alfa; mode utama sesudah adalah emisi beta. Produk peluruhan utama sebelum ²⁴⁴Pu adalah isotop uranium dan neptunium (tidak memasukkan produk fisi), dan produk peluruhan utama setelahnya adalah isotop amerisium.

1. ^ ^mPu – Isomer nuklir tereksitasi.
2. ^ ( ) – Ketidakpastian (1σ) diberikan dalam bentuk ringkas dalam tanda kurung setelah digit terakhir yang sesuai.
3. ^ # – Massa atom bertanda #: nilai dan ketidakpastian yang diperoleh bukan dari data eksperimen murni, tetapi setidaknya sebagian dari tren dari Permukaan Massa (trends from the Mass Surface, TMS).
4. ^ Mode peluruhan:

   CD:	Peluruhan gugus
   EC:	Penangkapan elektron
   IT:	Transisi isomerik
   SF:	Fisi spontan

5. ^ Simbol miring tebal sebagai anak – Produk anak hampir stabil.
6. ^ Simbol tebal sebagai anak – Produk anak stabil.
7. ^ ( ) nilai spin – Menunjukkan spin dengan argumen penempatan yang lemah.
8. ^ # – Nilai yang ditandai # tidak murni berasal dari data eksperimen, tetapi setidaknya sebagian dari tren nuklida tetangga (trends of neighboring nuclides, TNN).
9. ^ Produk peluruhan beta ganda dari ²³⁸U
10. ^ ^{a b c} Nuklida fisil
11. ^ Isotop paling berguna bagi senjata nuklir
12. ^ Produk penangkapan neutron dari ²³⁸U
13. ^ Produk peluruhan antara dari ²⁴⁴Pu
14. ^ Antarbintang, beberapa mungkin juga primordial tetapi klaim semacam ini masih diperdebatkan

• Plutonium-238 memiliki waktu paruh 87,74 tahun^[6] dan memancarkan partikel alfa. ²³⁸Pu murni untuk generator termoelektrik radioisotop yang menggerakkan beberapa wahana antariksa dihasilkan oleh penangkapan neutron pada ²³⁷Np tetapi plutonium dari bahan bakar nuklir bekas dapat mengandung beberapa persen ²³⁸Pu, yang berasal dari ²³⁷Np, peluruhan alfa ²⁴²Cm, atau reaksi (n,2n).
• Plutonium-239 merupakan isotop plutonium yang paling penting^{[butuh rujukan]}, dengan waktu paruh 24.100 tahun. ²³⁹Pu dan ²⁴¹Pu bersifat fisil, artinya inti atom mereka dapat pecah dengan dibombardir oleh neutron termal yang bergerak lambat, melepaskan energi, radiasi gama, dan lebih banyak neutron. Oleh karena itu, ia dapat mempertahankan reaksi berantai nuklir, yang mengarah pada pengaplikasiannya dalam senjata dan reaktor nuklir. ²³⁹Pu disintesis dengan mengiradiasi ²³⁸U dengan neutron di dalam reaktor nuklir, kemudian diperoleh kembali melalui pemrosesan nuklir dari bahan bakar tersebut. Penangkapan neutron lebih lanjut menghasilkan isotop yang lebih berat secara berturut-turut.
• Plutonium-240 memiliki tingkat fisi spontan yang tinggi, meningkatkan radiasi neutron latar belakang dari plutonium yang mengandungnya. Plutonium dinilai berdasarkan proporsi dari ²⁴⁰Pu: tingkat senjata (< 7%), tingkat bahan bakar (7–19%), dan tingkat reaktor (> 19%). Tingkat yang lebih rendah kurang cocok untuk senjata nuklir dan reaktor termal tetapi dapat menjadi bahan bakar reaktor cepat.
• Plutonium-241 bersifat fisil, tetapi juga dapat meluruh melalui peluruhan beta dengan waktu paruh 14 tahun menjadi ²⁴¹Am.
• Plutonium-242 tidak bersifat fisil, tidak terlalu subur (membutuhkan 3 penangkapan neutron lebih banyak untuk menjadi fisil), memiliki penampang tangkapan neutron yang rendah, dan waktu paruh yang lebih lama daripada isotop yang lebih ringan.
• Plutonium-244 adalah isotop plutonium yang paling stabil, dengan waktu paruh sekitar 80 juta tahun. Ia tidak diproduksi secara signifikan di dalam reaktor nuklir karena ²⁴³Pu memiliki waktu paruh yang pendek, tetapi beberapa darinya terproduksi dalam ledakan nuklir.

²³⁸Pu biasanya tidak diproduksi dalam jumlah besar oleh siklus bahan bakar nuklir, tetapi beberapa darinya dihasilkan dari ²³⁷Np dengan penangkapan neutron (reaksi ini juga dapat digunakan dengan neptunium murni untuk menghasilkan ²³⁸Pu yang relatif bebas dari isotop plutonium lain untuk digunakan dalam generator termoelektrik radioisotop), dengan reaksi (n,2n) neutron cepat pada ²³⁹Pu, atau peluruhan alfa dari ²⁴²Cm, yang dihasilkan oleh penangkapan neutron dari ²⁴¹Am. Ia memiliki penampang neutron termal yang signifikan untuk fisi, tetapi lebih mungkin untuk menangkap neutron dan menjadi ²³⁹Pu.

²³⁹Pu, sebuah isotop fisil yang merupakan bahan bakar nuklir yang paling banyak digunakan kedua dalam reaktor nuklir setelah ²³⁵U, dan bahan bakar yang paling banyak digunakan dalam bagian fisi dari senjata nuklir, dihasilkan dari ²³⁸U dengan penangkapan neutron dan diikuti oleh dua peluruhan beta.

²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, dan ²⁴²Pu diproduksi dengan penangkapan neutron lebih lanjut. Isotop bermassa ganjil, ²³⁹Pu dan ²⁴¹Pu, memiliki sekitar 34 peluang untuk mengalami fisi saat menangkap neutron termal dan sekitar 14 peluang untuk mempertahankan neutron dan menjadi isotop berikutnya yang lebih berat. Isotop bermassa genap adalah bahan yang subur tetapi tidak fisil dan juga memiliki probabilitas keseluruhan (penampang lintang) yang lebih rendah dari penangkapan neutron; oleh karena itu, mereka cenderung terakumulasi dalam bahan bakar nuklir yang digunakan dalam reaktor termal, desain dari hampir semua pembangkit listrik tenaga nuklir saat ini. Dalam plutonium yang telah digunakan untuk kedua kalinya dalam reaktor termal dalam bahan bakar MOX, ²⁴⁰Pu bahkan mungkin merupakan isotop yang paling umum. Semua isotop plutonium dan aktinida lainnya, bagaimanapun, dapat dibelah dengan neutron cepat. ²⁴⁰Pu memang memiliki penampang penyerapan neutron termal sedang, sehingga produksi ²⁴¹Pu dalam reaktor termal menjadi fraksi yang signifikan sebesar produksi ²³⁹Pu.

²⁴¹Pu memiliki waktu paruh 14 tahun, dan memiliki penampang neutron termal yang sedikit lebih tinggi daripada ²³⁹Pu for both fission and absorption. untuk fisi dan penyerapan. Walaupun bahan bakar nuklir digunakan dalam reaktor, inti ²⁴¹Pu lebih mungkin untuk membelah atau menangkap neutron daripada meluruh. ²⁴¹Pu menyumbang proporsi fisi yang signifikan dalam bahan bakar reaktor termal yang telah digunakan selama beberapa waktu. Namun, dalam bahan bakar nuklir bekas yang tidak cepat mengalami pemrosesan ulang nuklir tetapi didinginkan selama bertahun-tahun setelah digunakan, banyak atau sebagian besar dari ²⁴¹Pu akan meluruh melalui peluruhan beta menjadi ²⁴¹Am, salah satu aktinida minor, sebuah pemancar alfa yang kuat, dan sulit untuk digunakan dalam reaktor termal.

²⁴²Pu memiliki penampang yang sangat rendah untuk penangkapan neutron termal; dan dibutuhkan tiga penyerapan neutron untuk menjadi isotop fisil lain (²⁴⁵Cm atau ²⁴¹Pu) dan fisi. Meski begitu, ada kemungkinan salah satu dari kedua isotop fisil itu akan gagal membelah tetapi malah menyerap neutron keempat, menjadi ²⁴⁶Cm (dalam perjalanannya menjadi aktinida yang lebih berat seperti kalifornium, yang merupakan pemancar neutron dengan fisi spontan dan sulit untuk ditangani) atau menjadi ²⁴²Pu lagi; sehingga jumlah rata-rata neutron yang diserap sebelum fisi bahkan lebih tinggi dari 3. Oleh karena itu, ²⁴²Pu sangat tidak cocok untuk didaur ulang dalam reaktor termal dan akan lebih baik digunakan dalam reaktor cepat yang dapat langsung dipecah. Namun, penampang ²⁴²Pu yang rendah berarti bahwa relatif sedikit yang akan ditransmutasikan selama satu siklus dalam reaktor termal. Waktu paruh ²⁴²Pu adalah sekitar 15 kali lebih lama daripada waktu paruh ²³⁹Pu; oleh karena itu, radioaktivitasnya hanya 115 dari radioaktivitas ²³⁹Pu dan bukan merupakan salah satu kontributor radioaktivitas limbah nuklir terbesar. Emisi sinar gama ²⁴²Pu juga lebih lemah daripada isotop lainnya.^[8]

²⁴³Pu memiliki waktu paruh hanya 5 jam, meluruh melalui peluruhan beta menjadi ²⁴³Am. Karena ²⁴³Pu memiliki sedikit kesempatan untuk menangkap neutron tambahan sebelum meluruh, siklus bahan bakar nuklirnya tidak menghasilkan ²⁴⁴Pu yang berumur panjang dalam jumlah yang signifikan.

Penampang fisi untuk ²³⁹Pu adalah 747,9 barn untuk neutron termal, sedangkan penampang aktivasinya adalah 270,7 barn (rasionya mendekati 11 fisi untuk setiap 4 tangkapan neutron). Isotop plutonium yang lebih tinggi tercipta ketika bahan bakar uranium digunakan untuk waktu yang lama. Untuk bahan bakar bekas dengan tingkat pembakaran tinggi, konsentrasi isotop plutonium yang lebih tinggi akan lebih tinggi daripada bahan bakar dengan tingkat pembakaran rendah yang diproses ulang untuk mendapatkan plutonium tingkat senjata.

Plutonium-239 adalah salah satu dari tiga bahan fisil yang digunakan untuk produksi senjata nuklir dan di beberapa reaktor nuklir sebagai sumber energi. Bahan fisil lainnya adalah ²³⁵U dan ²³³U. ²³⁹Pu hampir tidak ada di alam. Itu dibuat dengan membombardir ²³⁸U dengan neutron dalam reaktor nuklir. ²³⁸U hadir dalam kuantitas di sebagian besar bahan bakar reaktor; maka ²³⁹Pu terus menerus dibuat dalam reaktor ini. Karena ²³⁹Pu sendiri dapat dipecah oleh neutron untuk melepaskan energi, ²³⁹Pu menyediakan sebagian dari pembangkitan energi dalam reaktor nuklir.

Ada sejumlah kecil ²³⁸Pu dalam plutonium dari reaktor penghasil plutonium biasa. Namun, pemisahan isotop akan cukup mahal bila dibandingkan dengan metode lain: ketika sebuah atom ²³⁵U menangkap sebuah neutron, ia diubah menjadi keadaan tereksitasi dari ²³⁶U Beberapa inti ²³⁶U yang tereksitasi mengalami fisi, tetapi beberapa meluruh menjadi keadaan dasar dari ²³⁶U. Penangkapan neutron lebih lanjut menciptakan ²³⁷U, yang memiliki waktu paruh 7 hari dan dengan cepat meluruh menjadi ²³⁷Np. Karena hampir semua neptunium diproduksi dengan cara ini atau terdiri dari isotop yang meluruh dengan cepat, seseorang dapat mendapatkan ²³⁷Np yang hampir murni dengan pemisahan kimia neptunium. Setelah pemisahan kimia ini, ²³⁷Np kembali diiradiasi oleh neutron reaktor untuk diubah menjadi ²³⁸Np, yang meluruh menjadi ²³⁸Pu dengan waktu paruh 2 hari.

Plutonium-240 mengalami fisi spontan sebagai mode peluruhan sekunder pada tingkat yang kecil tapi signifikan. Kehadiran ²⁴⁰Pu membatasi penggunaan plutonium dalam bom nuklir, karena fluks neutron dari fisi spontan memulai reaksi berantai sebelum waktunya, menyebabkan pelepasan energi awal yang secara fisik membubarkan inti sebelum ledakan penuh tercapai. Hal ini mencegah sebagian besar inti dari partisipasi dalam reaksi berantai dan mengurangi kekuatan bom.

Plutonium yang terdiri dari lebih dari 90% ²³⁹Pu disebut plutonium tingkat senjata; plutonium dari bahan bakar nuklir bekas dari reaktor daya komersial umumnya mengandung paling sedikit 20% ²⁴⁰Pu dan disebut plutonium tingkat reaktor. Namun, senjata nuklir modern menggunakan penguat fusi, yang mengurangi masalah predetonasi; jika bijinya dapat menghasilkan senjata nuklir bahkan dalam sepersekian kiloton, yang cukup untuk memulai fusi deuterium-tritium, ledakan neutron yang dihasilkan akan memecah cukup plutonium untuk memastikan hasil puluhan kiloton.

Kontaminasi ²⁴⁰Pu adalah alasan mengapa senjata plutonium harus menggunakan metode ledakan. Secara teoretis, ²³⁹Pu murni dapat digunakan dalam senjata nuklir jenis bedil, tetapi mencapai tingkat kemurnian ini sangatlah sulit. Kontaminasi. ²⁴⁰Pu telah terbukti membawa berkah bagi desain senjata nuklir. Walaupun ia menciptakan penundaan dan sakit kepala selama Proyek Manhattan karena kebutuhan untuk mengembangkan teknologi ledakan, kesulitan-kesulitan yang sama saat ini menjadi penghalang bagi proliferasi nuklir. Perangkat ledakan juga secara inheren lebih efisien dan kurang rentan terhadap detonasi yang tidak disengaja daripada senjata jenis bedil.

• Massa isotop dari:
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties", Nuclear Physics A, 729: 3–128, Bibcode:2003NuPhA.729....3A, doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 
• Komposisi isotop dan massa atom standar dari:
  • de Laeter, John Robert; Böhlke, John Karl; De Bièvre, Paul; Hidaka, Hiroshi; Peiser, H. Steffen; Rosman, Kevin J. R.; Taylor, Philip D. P. (2003). "Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 75 (6): 683–800. doi:10.1351/pac200375060683 . 
  • Wieser, Michael E. (2006). "Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 78 (11): 2051–2066. doi:10.1351/pac200678112051 . 
• "News & Notices: Standard Atomic Weights Revised". International Union of Pure and Applied Chemistry. 19 Oktober 2005. 
• Data waktu paruh, spin, dan isomer dipilih dari sumber-sumber berikut.
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties", Nuclear Physics A, 729: 3–128, Bibcode:2003NuPhA.729....3A, doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 
  • National Nuclear Data Center. "NuDat 2.x database". Laboratorium Nasional Brookhaven. 
  • Holden, Norman E. (2004). "11. Table of the Isotopes". Dalam Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics (edisi ke-85). Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9.