錀

錀是元素週期表中11族的成員,所以其性質預計和同族元素金、銀、銅類似,但也可能與它們有較大差異。由於錀沒有足夠穩定的同位素,因此目前未能通過化學實驗來驗證其是否具有金的更重同族元素的性質。
概論
[編輯]超重元素的合成
[編輯]
外部影片連結 | |
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超重元素[a]的原子核是在兩個不同大小的原子核[b]的聚變中產生的。粗略地說,兩個原子核的質量之差越大,兩者就越有可能發生反應。[20]由較重原子核組成的物質會作為靶子,被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候,才能聚變成一個原子核。原子核都帶正電荷,會因為靜電排斥力而相互排斥,所以只有兩個原子核的距離足夠短時,強核力才能克服這個排斥力並發生聚變。粒子束因此被粒子加速器大大加速,以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。[21]施加到粒子束上以加速它們的能量可以使它們的速度達到光速的十分之一。但是,如果施加太多能量,粒子束可能會分崩離析。[21]
不過,只是靠得足夠近不足以使兩個原子核聚變:當兩個原子核逼近彼此時,它們通常會融為一體約10−20秒,之後再分開(分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同),而非形成單一的原子核。[21][22]這是因為在嘗試形成單個原子核的過程中,靜電排斥力會撕開正在形成的原子核。[21]每一對目標和粒子束的特徵在於其截面,即兩個原子核彼此接近時發生聚變的概率。[c]這種聚變是量子效應的結果,其中原子核可通過量子穿隧效應克服靜電排斥力。如果兩個原子核可以在該階段之後保持靠近,則多個核相互作用會導致能量的重新分配和平衡。[21]
兩個原子核聚變產生的原子核處於非常不穩定,[21]被稱為複合原子核的激發態。[24]複合原子核為了達到更穩定的狀態,可能會直接裂變,[25]或是放出一些中子來帶走激發能量。如果激發能量太小,無法放出中子,複合原子核就會放出γ射線來帶走激發能量。這個過程會在原子核碰撞後的10−16秒發生,並創造出更穩定的原子核。[25]原子核只有在10−14秒內不衰變,IUPAC/IUPAP聯合工作小組才會認為它是化學元素。這個值大約是原子核得到它的外層電子,顯示其化學性質所需的時間。[26][d]
衰變和探測
[編輯]粒子束穿過目標後,會到達下一個腔室——分離室。如果反應產生了新的原子核,它就會存在於這個粒子束中。[28]在分離室中,新的原子核會從其它核種(原本的粒子束和其它反應產物)中分離,[e]到達半導體探測器後停止。這時標記撞擊探測器的確切位置、能量和到達時間。[28]這個轉移需要10−6秒的時間,因此原子核需要存在這麼長的時間才能被檢測到。[31]若衰變發生,衰變的原子核被再次記錄,並測量位置、衰變能量和衰變時間。[28]
原子核的穩定性源自於強核力,但強核力的作用距離很短,隨着原子核越來越大,強核力對最外層的核子(質子和中子)的影響減弱。同時,原子核會被質子之間,範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。[32]強核力提供的核結合能以線性增長,而靜電排斥力則以原子序數的平方增長。後者增長更快,對重元素和超重元素而言變得越來越重要。[33][34]超重元素理論預測[35]及實際觀測到[12]的主要衰變方式,即α衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。[f]幾乎所有會α衰變的核種都有超過210個核子,[37]而主要通過自發裂變衰變的最輕核種有238個核子。[12]有限位勢壘在這兩種衰變方式中抑制了原子核衰變,但原子核可以隧穿這個勢壘,發生衰變。[33][34]

放射性衰變中常產生α粒子是因為α粒子中的核子平均質量足夠小,足以使α粒子有多餘能量離開原子核。[39]自發裂變則是由靜電排斥力將原子核撕裂而致,會產生各種不同的產物。[34]隨着原子序數增加,自發裂變迅速變得重要:自發裂變的部分半衰期從92號元素鈾到102號元素鍩下降了23個數量級,[40]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[41]早期的液滴模型因此表明有約280個核子的原子核的裂變勢壘會消失,因此自發裂變會立即發生。[34][42]之後的核殼層模型表明有大約300個核子的原子核將形成一個穩定島,其中的原子核不易發生自發裂變,而是會發生半衰期更長的α衰變。[34][42]隨後的研究發現預測存在的穩定島可能比原先預期的更遠,還發現長壽命錒系元素和穩定島之間的原子核發生變形,獲得額外的穩定性。[43]對較輕的超重核種[44]以及那些更接近穩定島的核種[40]的實驗發現它們比先前預期的更難發生自發裂變,表明核殼層效應變得重要。[g]
α衰變由發射出去的α粒子記錄,在原子核衰變之前就能確定衰變產物。如果α衰變或連續的α衰變產生了已知的原子核,則可以很容易地確定反應的原始產物。[h]因為連續的α衰變都會在同一個地方發生,所以通過確定衰變發生的位置,可以確定衰變彼此相關。[28]已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別,例如衰變能量(或更具體地說,發射粒子的動能)。[i]然而,自發裂變會產生各種分裂產物,因此無法從其分裂產物確定原始核種。[j]
嘗試合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息,即原子核到達探測器的位置、能量、時間以及它衰變的信息。他們分析這些數據並試圖得出結論,確認它確實是由新元素引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核種確實是新元素的結論,且對觀察到的現象沒有其它解釋,就可能在解釋數據時出現錯誤。[k]歷史
[編輯]
發現
[編輯]111號元素錀是由德國達姆施塔特的重離子研究所(GSI)於1994年12月8日,在粒子加速器內利用鎳-64轟擊鉍-209而合成的。這次實驗成功產生了三粒272111原子:[55]
早在1986年,蘇聯的杜布納聯合原子核研究所就已經嘗試過這個反應,但沒有合成到272111原子。[56]IUPAC/IUPAP聯合工作小組(JWP)在2001年時認為沒有足夠證據證明當時確實發現了111號元素。[57]GSI的小組在2002年重複實驗,並再檢測到三粒原子。[58][59]在他們2003年的報告當中,JWP決定承認GSI團隊對此新元素的發現。[60]
命名
[編輯]依照門捷列夫對有待命名或尚未發現的元素的命名法,111號元素應名為類金(英語:eka-gold)。1979年,IUPAC推出用於提供臨時名稱及代用元素符號的元素系統命名法。根據這套命名法,111號元素應稱為unununium,化學符號Uuu。[61]儘管各級化學教科書都廣泛使用IUPAC的命名,但行內的科學家卻一般直接稱它為「111號元素」,化學符號E111、(111)或111。[62]
GSI於2004年提議把111號元素命名為roentgenium,化學符號Rg[63],以紀念發現X射線的科學家威廉·倫琴。[63]IUPAC於同年11月1日接受該提議。[63]2005年,全國科學技術名詞審定委員會提出第111號元素中文定名草案。2006年1月20日下午由全國科學技術名詞審定委員會、國家語言文字工作委員會組織召開的第111號元素中文定名研討會上,確定使用類推簡化字「𬬭」(讀音同「倫」),對應繁體字「錀」字,古意為一種金屬。[64][65]2007年3月21日,全國科學技術名詞審定委員會公佈這一結果,同時也宣佈該命名已經得到國家語言文字工作委員會的同意。[66]
同位素與核特性
[編輯]同位素 | 半衰期[l] | 衰變方式 | 發現年份 | 發現方法[67] | |
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數值 | 來源 | ||||
272Rg | 4.2毫秒 | [12] | α | 1994年 | 209Bi(64Ni,n) |
274Rg | 20毫秒 | [12] | α | 2004年 | 278Nh(—,α) |
278Rg | 4.6毫秒 | [10] | α | 2006年 | 282Nh(—,α) |
279Rg | 90毫秒 | [10] | α或SF | 2003年 | 287Mc(—,2α) |
280Rg | 3.9秒 | [10] | α或ε | 2003年 | 288Mc(—,2α) |
281Rg | 11秒 | [10] | SF或α | 2010年 | 293Ts(—,3α) |
282Rg | 130秒 | [12] | α | 2010年 | 294Ts(—,3α) |
283Rg[m] | 5.1分鐘 | [13] | SF | 1999?年 | 283Cn(e−,νe) |
286Rg[m] | 10.7分鐘 | [13] | α | 1998?年 | 290Fl(e−,νeα) |
目前已知的錀同位素共有7個,質量數分別為272、274和278-282。[12]此外,錀還有2個未被確認的同位素,質量數分別為283及286。[13]
錀的同位素全部都具有極高的放射性,半衰期極短,非常不穩定,且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定。其中最長壽的同位素為錀-282,半衰期約130秒,也是目前發現最重的錀同位素。更重但未經證實的同位素錀-283和錀-286可能具有更長的半衰期,分別為5.1分鐘和10.7分鐘。除了錀-282外,其他壽命較長的同位素有錀-280和錀-281,半衰期分別為3.9秒和11秒[10],剩下4種較輕同位素的半衰期均以毫秒計。[12][10]大多數錀同位素主要發生α衰變或自發裂變[12],但錀-280也有概率發生電子捕獲。[68]
預測性質
[編輯]合成錀的成本高昂,產量極小[20],且錀很不穩定,會迅速衰變。因此除了核性質以外,目前人們對錀元素的性質一無所知,只有理論預測。
物理性質
[編輯]由於電子電荷密度的差異,雖然較輕的同族元素金、銀、銅會形成面心立方晶系的晶體,但錀在室溫下預測會形成體心立方晶系的晶體。[3]錀的密度預測很高,達22.4 g/cm3;[4]作為比較,目前已知密度最高的元素鋨的密度為22.587 g/cm3。[69]錀的原子半徑預測約為114 pm。[5]
化學性質
[編輯]錀預計將是第7週期的第9個過渡金屬,屬於週期表中最重的11族元素,位於銅、銀、金的下面。[70]錀的電離能、原子半徑、離子半徑預測與較輕的同族元素金相似,因此錀應該有11族元素的基本性質。[71]不過,錀預測也有與其它11族元素不同的地方。[72]
錀預測是惰性金屬。Rg3+/Rg的標準電極電勢為1.9 V,大於Au3+/Au的1.5 V。[5]錀的第一電離能預測是1020 kJ/mol,與貴氣體氡的1037 kJ/mol相近;錀的第二電離能的預測值2070 kJ/mol則與銀的第二電離能相同。[8]從更輕的11族元素的最穩定氧化態推測,錀會有最穩定的+3氧化態,穩定的+5氧化態,以及不穩定的+1氧化態。錀(III)的性質預測與金(III)相似,但更穩定,且可以形成更多樣的化合物。[73]由於相對論效應,金能夠在金化物,如金化銫中形成較穩定的−1氧化態,錀可能也能這樣做。[74]不過,由於錀的電子親和能預測只有1.57 eV(151 kcal/mol)[75],明顯低於金的2.31 eV(223 kcal/mol)[76],因此含有錀(−1)的錀化物可能不穩定,甚至不存在。[77]
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七氟化金實際上是五氟化金與氟分子形成的配合物,其中金的氧化態為+5[78] | 七氟化錀則預測含有真正達到+7氧化態的錀[7] |
第7週期的最後幾個過渡金屬的6d軌域因相對論效應和自旋-軌域作用而變得不穩定,導致6d軌域的電子能更好地參與成鍵,更易生成高氧化態。因此,錀的+5氧化態預測比金穩定。自旋-軌域作用使得有更多6d軌域電子參與成鍵的化合物更穩定,如RgF−
6預測比RgF−
4穩定,而RgF−
4又預測比RgF−
2穩定。[79]RgF−
6的穩定性預測與AuF−
6相近,類似的銀化合物AgF−
6尚未被發現,預測僅能保持自身不分解成AgF−
4與F2。同樣地,Rg2F10預測和Au2F10一樣,在室溫下都是穩定的,而Ag2F10則預測會自發分解成Ag2F6與F2。七氟化金(AuF7)實際上是五氟化金的雙氟配合物AuF5·F2,這種構型的能量要比真正的七氟化金(VII)低。不過,真正的七氟化錀(VII)這個構象的能量要比RgF5·F2低,因此RgF7預測會以真正的七氟化錀(VII)這個構象存在。它預測不穩定,在室溫下會分解成Rg2F10與F2,並放出少許能量。[7]錀(I)預測難以合成。[80][79]金可與氰離子形成配合物Au(CN)−
2,錀預測也能與氰離子反應,形成類似的Rg(CN)−
2。[81]
理論預測認為ns亞電子層的相對論效應會在錀達到最高峰,因此對錀化學性質的預測要比前兩個元素——䥑和鐽來得多。[82]相對論效應將雙原子分子RgH的Rg–H鍵鍵能翻倍,但自旋-軌域作用又把它削弱了0.7 eV(68 kcal/mol)。通式為AuX和RgX(X = F、Cl、Br、O、Au、Rg)的各種雙原子分子也已有研究。[83][84]Rg+預測是最軟的金屬離子,比Au+還軟,不過目前對Rg+是酸還是鹼這一方面還有爭議。[85][6]Rg+在水溶液中預測可以形成水合離子[Rg(H2O)2]+,其中Rg–O鍵長為207.1 pm。Rg+預測可與氨、磷化氫、硫化氫形成配合物。[6]
實驗化學
[編輯]由於合成錀同位素的反應產率低[86],目前尚未有錀的化學實驗。[87]如果要對超重元素做化學實驗,那麼實驗中需要產生至少四粒原子,該超重元素同位素的半衰期需超過一秒,且每星期需要產生至少一粒原子。[70]雖然282Rg的半衰期長達130秒,能夠用於化學實驗,但通過實驗研究錀的化學還有另一阻礙,那就是錀同位素的產率太低,無法讓實驗持續幾個星期或幾個月來得到有顯著性差異的實驗結果。由於更重的元素的產量會比更輕的元素低,若要研究錀的氣相和溶液化學,必須一直分離和檢測錀同位素,並允許用自動化系統實驗。雖然理論預測認為ns亞電子層的相對論效應會在錀達到最高峰,吸引科學家對錀的興趣[82],但錀的實驗化學相較於更重的112號元素鎶至116號元素鉝,並沒有受到太大關注。[87][88]由鏌同位素288Mc和289Mc分別衰變產生的280Rg和281Rg有潛力用於化學實驗。[89]288Mc和289Mc分別衰變成280Rg和281Rg之前還會經過鉨同位素284Nh和285Nh,而這兩個鉨同位素早已有初步的化學實驗。[38]
註釋
[編輯]- ^ 在核物理學中,原子序高的元素可稱為重元素,如82號元素鉛。超重元素通常指原子序大於103(也有大於100[15]或112[16]的定義)的元素。有定義認為超重元素等同於錒系後元素,因此認為還未發現的超錒系元素不是超重元素。[17]
- ^ 2009年,由尤里·奧加涅相引領的團隊發表了他們嘗試通過對稱的136Xe + 136Xe反應合成𨭆的結果。他們未能在這個反應中觀察到單個原子,因此設置截面,即發生核反應的概率的上限為2.5 pb。[18]作為比較,發現𨭆的反應208Pb + 58Fe的截面為19+19
-11 pb。[19] - ^ 施加到粒子束以加速它的能量也會影響截面。舉個例子,在28
14Si
+ 1
0n
→ 28
13Al
+ 1
1p
反應中,截面會從12.3 MeV的370 mb變化成18.3 MeV的160 mb,最高值是13.5 MeV的380 mb。[23] - ^ 這個值也是普遍接受的複合原子核壽命上限。[27]
- ^ 分離基於產生的原子核會比未反應的粒子束更慢地通過目標這一點。分離器中包含電場和磁場,它們對運動粒子的影響會因粒子的特定速度而被抵消。[29]飛行時間質譜法和反衝能量的測量也有助於分離,兩者結合可以估計原子核的質量。[30]
- ^ 不是所有放射性衰變都是因為靜電排斥力導致的,β衰變便是弱核力導致的。[36]
- ^ 早在1960年代,人們就已經知道原子核的基態在能量和形狀上的不同,也知道核子數為幻數時,原子核就會更穩定。然而,當時人們假設超重元素的原子核因為過於畸形,無法形成核子結構。[40]
- ^ 超重元素的原子核的質量通常無法直接測量,所以是根據另一個原子核的質量間接計算得出的。[45]2018年,勞倫斯伯克利國家實驗室首次直接測量了超重原子核的質量,[46]它的質量是根據轉移後原子核的位置確定的(位置有助於確定其軌跡,這與原子核的質荷比有關,因為轉移是在有磁鐵的情況下完成的)。[47]
- ^ 如果在真空中發生衰變,那麼由於孤立系統在衰變前後的總動量必須保持守恆,衰變產物也將獲得很小的速度。這兩個速度的比值以及相應的動能比值與兩個質量的比值成反比。衰變能量等於α粒子和衰變產物的已知動能之和。[37]這些計算也適用於實驗,但不同之處在於原子核在衰變後不會移動,因為它與探測器相連。
- ^ 自發裂變由蘇聯科學家格奧爾基·弗廖羅夫發現,[48]而他也是杜布納聯合原子核研究所的科學家,所以自發裂變就成了杜布納聯合原子核研究所經常討論的課題。[49]勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家認為自發裂變的信息不足以聲稱合成元素,他們認為對自發裂變的研究還不夠充分,無法將其用於識別新元素,因為很難確定複合原子核是不是僅噴射中子,而不是質子或α粒子等帶電粒子。[27]因此,他們更喜歡通過連續的α衰變將新的同位素與已知的同位素聯繫起來。[48]
- ^ 舉個例子,1957年,瑞典斯德哥爾摩省斯德哥爾摩的諾貝爾物理研究所錯誤鑑定102號元素。[50]早先沒有關於該元素發現的明確聲明,所以瑞典、美國、英國發現者將其命名為nobelium。後來證明該鑑定是錯誤的。[51]次年,勞倫斯伯克利國家實驗室無法重現瑞典的結果。他們宣佈合成了該元素,但後來也被駁回。[51]杜布納聯合原子核研究所堅持認為他們第一個發現該元素,並建議把新元素命名為joliotium,[52]而這個名稱也沒有被接受(他們後來認為102號元素的命名是倉促的)。[53]由於nobelium這個名稱在三十年間已被廣泛使用,因此沒有更名。[54]
- ^ 不同的來源會給出不同的數值,所以這裏列出最新的數值。
- ^ 13.0 13.1 未確認的同位素
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