El plutonio es un elemento transuránico radiactivo con el símbolo químico Pu y el número atómico 94. Es un metal actínido con apariencia gris plateada que se oscurece cuando es expuesto al aire, formando una capa opaca cuando se oxida. El elementonormalmente exhibe seis estados alotrópicos y cuatro de oxidación. Reacciona con el carbono, los halógenos, nitrógeno y silicio. Cuando se expone al aire húmedo forma óxidos e hidruros que expanden hasta un 70% su volumen, que a su vez, se desprende en forma de polvo que puede inflamarse de forma espontánea. También es un elemento radiactivo y se puede acumular en los huesos. Estas propiedades hacen que manipular plutonio sea peligroso.
El plutonio tiene peso molecular de 244 correspondiente al isótopo más estable. Su punto de fusión es de 640 °C, su punto de ebullición es de 3228 °C. Su densidad es de 19.84 g/ml (a 20 °C). El primer potencial de ionización es de 5.8 eV y su electronegatividad en la escala de Pauling es de 1.30.
El plutonio es el elemento primordial más pesado en virtud a su isótopo más estable, el plutonio-244, con una semi vida aproximada de 80 millones de años es tiempo suficiente para que el elemento se encuentre en pequeñas cantidades en la naturaleza. El plutonio es principalmente un subproducto de la fisión nuclear en los reactores, donde algunos de los neutrones liberados por el proceso de fisión convierten núcleos de uranio-238 en plutonio.
El isótopo plutonio-239 es un componente clave en las armas nucleares debido a su fácil fisión y su disponibilidad. Encapsulando el pozo de plutonio de la bomba en un pisón (una capa opcional de material denso) disminuye la cantidad de plutonio necesaria para alcanzar la masa críticaque refleja los neutrones que escapan de nuevo en el núcleo de plutonio. Esto reduce la cantidad de plutonio necesaria para alcanzar la criticidad de 16 kg a 10 kg, que es una esfera con un diámetro de unos 10 cm (4 in). Esta masa crítica es aproximadamente un tercio de la del uranio-235.
La bombas de plutonio tipo "Fat Man" producidas durante el Proyecto Manhattan usaban explosivos para comprimir el plutonio y obtener densidades significativamente más altas de lo normal, combinado con una fuente central de neutrones para iniciar la reacción y aumentar su eficiencia. De esta forma solo se necesitaban 6,2 kg de plutonio para un rendimiento equivalente a una explosión de 20 kilotones de TNT (Véase también diseño de armas nucleares) Hipotéticamente, tan solo son necesarios 4 kg de plutonio, tal vez menos, para hacer una bomba atómica usando diseños de ensamblado muy sofisticados.
Los isótopos y compuestos del plutonio son radiactivos y se acumulan en la médula ósea. La contaminación por óxido de plutonio se ha producido tras incidentes radiactivos y desastres nucleares, incluyendo accidentes nucleares militares donde armas nucleares han ardido. Estudios de los efectos de estas pequeñas fugas, así como el extensivo envenenamiento por radiación y posteriores muertes después de los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki, han aportado información considerable con respecto a los peligros, síntomas y pronósticos del envenenamiento por radiación, que en el caso de los japoneses sobrevivientes (Hibakusha), se demostró que no estaban relacionados en gran medida con la exposición directa al plutonio.
Durante el decaimiento del plutonio, son liberados tres tipos de radiación, alfa, beta y gamma. La radiación alfa solo puede recorrer cortas distancias y no puede viajar a través de la capa exterior muerta de la piel humana. La radiación beta puede penetrar la piel humana pero no puede atravesar el cuerpo. La radiación gamma puede ir a través de todo el cuerpo. Los tres tipos de radiación son ionizantes. Una exposición aguda o de larga duración conlleva serios problemas de salud, incluyendo síndrome de irradiación aguda, daño genético, cáncer y hasta la muerte. El daño aumenta con la cantidad de exposición.