鑪
鑪[a]（英語：Rutherfordium），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為Rf，原子序數為104。鑪是一種具極高放射性的人工合成元素，不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器少量合成。其壽命最長的已知同位素為267Rf，半衰期約為48分鐘。鑪是為紀念紐西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福而以他命名的。
在元素週期表中，鑪是位於d區塊的過渡金屬，是第一個錒系後元素，也是第一個超重元素。鑪屬於第7週期、4族。人們對鑪的化學特性瞭解不全，儘管某些計算指出，由於相對論性效應，它可能會具有和同族元素顯著不同的化學屬性，但目前化學實驗已證實，鑪是比同族的鉿更重的化學同類物，表現出的部分化學性質與其他的4族元素相似。
位於前蘇聯和美國加州的實驗室在1960年代分別製造出少量的鑪。由於雙方發現鑪的先後次序不清，因此蘇聯和美國科學家們對其命名產生了爭議；直到1997年國際純化學和應用化學聯合會才將鑪作為該元素的正式名稱。
概論
[編輯]超重元素的合成
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| 外部影片連結 | |
|---|---|
 基於澳大利亞國立大學的計算，核聚變未成功的可視化[6] |
超重元素[b]的原子核是在兩個不同大小的原子核[c]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。[12]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。[13]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。[13]
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。[13][14]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。[13]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。[d]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。[13]
兩個原子核聚變產生的原子核處於非常不穩定，[13]被稱為複合原子核的激發態。[16]複合原子核為了達到更穩定的狀態，可能會直接裂變，[17]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。[17]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。[18][e]
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。[20]在分離室中，新的原子核會從其它核素（原本的粒子束和其它反應產物）中分離，[f]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。[20]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。[23]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。[20]
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。[24]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。[25][26]超重元素理論預測[27]及實際觀測到[28]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。[g]幾乎所有會α衰變的核素都有超過210個核子，[30]而主要通過自發裂變衰變的最輕核素有238個核子。[28]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。[25][26]
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。[32]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。[26]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，[33]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[34]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。[26][35]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。[26][35]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。[36]對較輕的超重核素[37]以及那些更接近穩定島的核素[33]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。[h]
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。[i]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。[20]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）。[j]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素。[k]
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素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。[l]歷史
[編輯]發現
[編輯]位於杜布納（當時位於前蘇聯）的聯合核研究所於1964年宣佈首次發現鑪。研究人員以氖-22離子撞擊鈈-242目標，觀測到一次半衰期0.3 ± 0.1秒的自發裂變事件。他們把這次衰變歸因於260104，不過由於後來的研究發現鑪沒有半衰期約0.3秒的同位素，所以這個結論是錯誤的。[48]
研究人員於1966–1969年重複實驗。他們把產物與四氯化鋯（ZrCl4）反應後將其轉變為氯化物，再用溫度梯度色譜法把鑪從產物中分離出來。該團隊在一種具揮發性的氯化物中探測到自發裂變事件，該氯化物具有類似於鉿的較重同族元素的化學屬性。他們這次把半衰期0.3秒的核素指向了259104：[48]
- 242
94Pu
+ 22
10Ne
→ 264−x104 → 264−x104Cl4
研究人員通過該實驗支持104號元素的0.3秒半衰期。雖然目前已知鑪沒有半衰期約0.3秒的同位素，但反應產生的氯化物的揮發性與4族元素氯化物相近，遠高於錒系元素氯化物，說明其化學性質與104號元素吻合。[48]
1969年，美國加州大學伯克利分校以碳-12離子撞擊鉲，確定性地合成了鑪，並測量了257104的α衰變：[49]
- 249
98Cf
+ 12
6C
→ 257104 + 4
n
他們也合成了260104，但觀測到的半衰期不是0.3秒，而是10–30毫秒，與今天的數值21毫秒吻合。1970年，美國研究人員通過離子交換法研究104號元素的化學性質，證明它與鉿同為4族元素。[50]
在美國進行的實驗於1973年得到獨立證實，其中通過觀測257Rf衰變產物——鍩-253的K-αX光，確實了鑪為母衰變體。[51]
命名爭議
[編輯]
俄方科學家建議使用Kurchatovium作為該新元素命名，而美方科學家則建議使用Rutherfordium。[52]1992年，IUPAC/IUPAP超鐨元素工作組（TWG）評審了發現報告後，認為雙方是同時合成了第104號元素的，所以雙方應該共同享有這份名譽。[48]
美國的團隊其後回復了TWG，並稱TWG過分重視杜布納團隊的研究結果。他們也指出，俄方團隊曾在過去20年以內多次修改其報告細節，俄方對此沒有否認。他們還強調，TWG過於看重俄方團隊所進行的化學實驗，並指責TWG的委員會成員缺乏足夠的資歷。TWG隨後回應，稱已經審視過美方提出的各項意見，並認為沒有理由撤回先前有關發現順序的結論。[53]IUPAC最終使用了美國團隊所提出的名稱（Rutherfordium），這可能反映了其實際改變了決定。[54]
蘇聯的團隊稱其首次探測到該新元素，因此建議將其命名為Kurchatovium（Ku）以紀念伊格爾·庫爾恰托夫，其曾經領導過蘇聯原子彈計劃。東方集團國家的教科書都使用Kurchatovium作為該元素的正式命名，而中文則譯為「龲」[55]。美國的團隊則提議用Rutherfordium（Rf）為新元素的命名，以紀念原子核物理學之父歐內斯特·盧瑟福。
由於國際上對104號、105號元素名稱存在較大分歧，1977年8月國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAC）正式宣佈100號以後元素停止使用人名命名，而使用臨時系統命名，譬如104號元素為Unnilquadium（Unq）（該名稱源自數字1、0和4的拉丁文寫法）。但由於應用不便，1994年IUPAC無機化學命名委員會又提出仍以人名命名，同時建議使用Dubnium（105號元素的現名，名稱源自杜布納，Dubna）作為104號元素的當時的名稱，因為Rutherfordium已被建議作為106號元素的名稱，而IUPAC也認為應該承認杜布納團隊對此領域研究的貢獻。然而，這時104至107號元素的名稱都具有爭議。1997年，有關的團隊解決了紛爭，並於同年8月27日IUPAC正式對101至109號元素重新英文定名，最終採用了現名Rutherfordium，Dubnium一名則成為了105號元素的名稱。[54]
隨後，全國科學技術名詞化學名詞審定委員會也據此於1998年7月8日公佈了101至109號元素重新審定的中文命名。其中104號元素Rutherfordium中文名曾定為「鑪」（音同「盧」），現根據IUPAC的決定，仍予以採用；105號元素Dubnium定為「𨧀」（音同「杜」）。自此，101至105號元素被正式定名，也彌補了1998年之前106號以後的元素一直無中文名稱的遺憾，同時海峽兩岸化學家也已取得共識，可望在兩岸共同使用。[56][57]
核合成
[編輯]鑪等超重元素的合成方法是將兩種較輕的元素通過粒子加速器相互高速撞擊，並以此產生核聚變反應。多數鑪同位素都可以用這種方法合成，但某些較重的同位素目前只能在原子序更高的元素的衰變產物當中發現。[58]
根據所用能量的高低，核合成分為「熱」和「冷」兩類。在熱核聚變反應中，低質量、高能的發射體朝着高質量標靶（錒系元素）加速，產生處於高激發能的複核（約40至50 MeV），再裂變或蒸發出3至5顆中子。[58]在冷核聚變反應中，聚變所產生的複核有着低激發能（約10至20 MeV），因此這些產物的裂變可能性較低。複核冷卻至基態時，會只射出1到2顆中子，因此產物的含中子量更高。[59]冷核聚變一詞在此指的不是在室溫下發生的核聚變反應（見冷核聚變）。[60]
熱核聚變
[編輯]位於杜布納的研究團隊在1964年首次嘗試合成鑪，所用的熱核聚變反應將氖-22發射體撞擊鈽-242目標[48]：
- 242
94Pu
+ 22
10Ne
→ 264-x
104Rf
+ x
n
(x=3,5).
於首次研究中，他們探測到兩次半衰期分別為0.3秒和8秒的自發裂變事件。前者之後被撤回，而後者則源自鑪-259同位素。[48]1966年，該團隊重復進行了這條反應，並對具揮發性的氯化物產物進行了化學研究。他們辨認出一種揮發性氯化物，其屬性類似於鉿的較重同族元素，並以自發裂變快速衰變。這是產生了RfCl4的有力證據。儘管其半衰期沒有被準確地測量出來，但是之後的證據指出產物最有可能是鑪-259。團隊在接下來的幾年之內多次重復進行實驗，並於1971年把該同位素的自發裂變半衰期確定為4.5秒。[48]
1969年，以阿伯特·吉奧索為首，位於加州大學的團隊嘗試證實杜布納團隊所公佈的結果。在一次鋦-248和氧-16之間的反應中，他們未能證實杜布納團隊的結果，但卻探測到鑪-260的自發裂變，其半衰期只有10至30 ms：
- 248
96Cm
+ 16
8O
→ 260
104Rf
+ 4
n
.
1970年，美國團隊又再次研究了這條反應，但這次使用氧-18作為發射體，並探測到鑪-261的自發裂變，半衰期長達65秒（之後修正為75秒）。[61][62]之後在加州勞倫斯伯克利國家實驗室進行的實驗得出一種短半衰期的同核異構體鑪-262m（其進行自發裂變，半衰期為47 ms）[63]及長半衰期的自發裂變事件，後者不確定地指向鑪-263。[64]
吉奧索的團隊也研究了鉲-249與碳-13之間的反應，並合成了短半衰期的鑪-258（其在11毫秒後進行自發裂變）：[49]
- 249
98Cf
+ 13
6C
→ 258
104Rf
+ 4
n
.
在轉用碳-12之後，他們更首次觀測到鑪-257的α衰變。[49]
杜布納的團隊於1977首次研究錇-249和氮-14之間的反應，並於1985年證實產生了鑪-260同位素，該同位素在28毫秒之後進行自發裂變：[48]
- 249
97Bk
+ 14
7N
→ 260
104Rf
+ 3
n
.
1996年，勞倫斯伯克利國家實驗室在進行鈽-244和氖-22的核聚變反應時，觀測到了同位素鑪-262：
- 244
94Pu
+ 22
10Ne
→ 266-x
104Rf
+ x
n
(x=4, 5).
研究團隊將半衰期確定為2.1秒，而不是先前報告中的47毫秒，這意味著兩個半衰期值可能是源自鑪-262的兩種同核異構體的。[65]杜布納的團隊也研究了該反應，並於2000年觀測到鑪-261的α衰變及鑪-261m的自發裂變。[66]
杜布納團隊於2000年首次公佈了使用鈾目標體的熱核聚變反應：
- 238
92U
+ 26
12Mg
→ 264-x
104Rf
+ x
n
(x = 3, 4, 5, 6).
他們觀測到鑪-260和鑪-259的衰變，之後又觀測到鑪-259的衰變。在一系列利用鈾目標體的實驗中，勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊於2006年探測到了鑪-261。[66][67][68]
冷核聚變
[編輯]首次合成鑪的冷核聚變反應是於1974年在杜布納進行的，反應將鈦-50射向鉛-208同位素標靶：
- 208
82Pb
+ 50
22Ti
→ 258-x
104Rf
+ x
n
(x = 1, 2, 3).
測量到的自發裂變事件源自鑪-256，[69]而其後在重離子研究所（GSI）進行的實驗則測量了鑪-257和鑪-255的衰變屬性。[70][71]
1974年，杜布納的研究人員研究了鉛-207和鈦-50之間的反應，並產生了鑪-255。[72]1994年重離子研究所的一項研究使用鉛-206同位素，並探測到鑪-255和鑪-254。同年轉用鉛-204後則探測到鑪-253。[71]
衰變
[編輯]大部分質量數低於262的鑪同位素都會出現於原子序更高的元素的衰變產物中，這能夠使之前探測的屬性有更準確的數值。較重的鑪同位素只出現在更重元素的衰變產物中。比如，自2004年起，在鐽-279衰變鏈中多次觀測到有通過α衰變形成鑪-267的事件[73]：
- 279
110Ds
→ 275
108Hs
+
α
→ 271
106Sg
+
α
→ 267
104Rf
+
α
.
這又繼續進行自發裂變，半衰期約為1.3小時。[73][74][75]
伯爾尼大學於1999年對𨧀-263同位素的合成進行了研究，並發現了符合通過電子捕獲形成鑪-263的事件。產物中的鑪被分離出來，期間觀測到的有長半衰期（15分鐘）的自發裂變事件，以及半衰期大約為10分鐘的α衰變。[64]2010年有關鈇-285衰變鏈的報告中顯示了5個連續的α衰變，在產生鑪-265之後，再進行自發裂變，半衰期為152秒。[76]
2004年進行的實驗初步顯示，在鏌-288的衰變鏈中存在一種質量更高的鑪同位素，鑪-268[77]：
- 288
115Mc
→ 284
113Nh
+
α
→ 280
111Rg
+
α
→ 276
109Mt
+
α
→ 272
107Bh
+
α
→ 268
105Db
+
α
? → 268
104Rf
+
ν
e .
不過衰變鏈的最後一個步驟仍待確認。在5個α衰變事件產生𨧀-268之後，研究人員又觀測到了長半衰期的自發裂變事件。目前未知這些事件是否來自𨧀-268的直接自發裂變，還是𨧀-268進行長半衰期的電子捕獲而產生鑪-268。如果後者在產生後進行短半衰期的衰變，那麼這兩種情況是無法分辨的。[78]假設沒有探測到𨧀-268的電子捕獲，則這些自發裂變事件就可能源自鑪-268，那麼這個同位素的半衰期就不得而知了。[77][79]
根據2007年一項有關合成鉨的報告，同位素鉨-282進行類似的衰變，並形成𨧀-266，𨧀會再進行自發裂變，半衰期為22分鐘。假設沒有探測到𨧀-266的電子捕獲，則這些自發裂變事件就可能源自鑪-266，那麼這個同位素的半衰期就不得而知了。[80][81]
同位素
[編輯]| 同位素 | 半衰期[82] | 衰變方式[82] | 發現年份 | 所用反應 |
|---|---|---|---|---|
| 253Rf | 48 μs | α, SF | 1994年 | 204Pb(50Ti,n)[71] |
| 254Rf | 23 μs | SF | 1994年 | 206Pb(50Ti,2n)[71] |
| 255Rf | 2.3 s | ε?, α, SF | 1974年 | 207Pb(50Ti,2n)[72] |
| 256Rf | 6.4 ms | α, SF | 1974年 | 208Pb(50Ti,2n)[72] |
| 257Rf | 4.7 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[49] |
| 257mRf | 4.1 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[49] |
| 258Rf | 14.7 ms | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,4n)[49] |
| 259Rf | 3.2 s | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[49] |
| 259mRf | 2.5 s | ε | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[49] |
| 260Rf | 21 ms | α, SF | 1969年 | 248Cm(16O,4n)[48] |
| 261Rf | 78 s | α, SF | 1970年 | 248Cm(18O,5n)[61] |
| 261mRf | 4 s | ε, α, SF | 2001年 | 244Pu(22Ne,5n)[83] |
| 262Rf | 2.3 s | α, SF | 1996年 | 244Pu(22Ne,4n)[65] |
| 263Rf | 15 min | α, SF | 1999年 | 263Db( e− , ν e )[64] |
| 263mRf ? | 8 s | α, SF | 1999年 | 263Db( e− , ν e )[64] |
| 265Rf | 1.1 min[4] | SF | 2010年 | 269Sg(—,α)[76] |
| 266Rf | 23 s? | SF | 2007年? | 266Db( e− , ν e )?[80] |
| 267Rf | 1.3 h | SF | 2004年 | 271Sg(—,α)[73] |
| 268Rf | 1.4 s? | SF | 2004年? | 268Db( e− , ν e )?[77] |
如同其他高原子序的超重元素，鑪的所有同位素都具有高度放射性，半衰期很短，非常不穩定。目前已知的同位素共有15種，質量數從253到268不等（264除外），大部分通過自發裂變進行衰變。鑪的一些同位素已在實驗室中成功合成，所用方法有兩種：高速撞擊兩種原子核以產生核聚變，或製造出更高的元素並觀測其衰變產物。[82]
半衰期
[編輯]較輕的鑪同位素一般具有較短的半衰期：253Rf和254Rf的為50微秒。256Rf、258Rf和260Rf更為穩定，半衰期在10毫秒左右；255Rf、257Rf、259Rf和262Rf的半衰期介乎1至5秒，而261Rf、265Rf和263Rf則較穩定，半衰期分別為1、1.5和10分鐘。最重的同位素最為穩定，其中267Rf的約為1.3小時。[82]
低質量的同位素有兩種生成方式：兩種原子直接經過核聚變產生，或作為更重元素的衰變產物。通過直接核聚變產生的最重的同位素為262Rf，比其質量更高的同位素則只在其他元素的衰變產物中出現。同位素266Rf和268Rf被報道分別是𨧀同位素266Db和268Db電子捕獲的衰變產物，但它們都會很快發生自發裂變。270Db可能的衰變產物270Rf很可能也是這樣。[84]目前這三種同位素都尚未確認。
1999年，位於美國加州伯克利的科學家宣佈成功合成3顆293Og原子。[85]他們稱這些原子核先後射出7顆α粒子，並形成265Rf原子核，但在2001年撤回了這一項結果。[86]265Rf最終於2010年發現，是285Fl的最終衰變產物。[4][76]
同核異構體
[編輯]
最初有關合成263Rf的研究指出，該核素主要是以自發裂變方式衰變的，半衰期為10至20分鐘。近期對𨭆同位素的研究也同時產生了263Rf原子，其半衰期較短，約為8秒。這兩種衰變方式意味著存在兩種不同的同核異構體，但由於觀測到的事件太少，未能確定同核異構體的屬性。[64]
在利用244Pu(22Ne,5n)261Rf這條反應研究鑪同位素的合成時，人們發現反應的產物進行了8.28 MeV的α衰變，半衰期為78秒。之後重離子研究所在研究鎶和𨭆的合成時，卻得到了不同的數據：衰變鏈中的261Rf進行8.52 MeV的α衰變，半衰期為4秒。後來的結果指出，該核素主要進行裂變。這些矛盾使人們對鎶的合成產生了懷疑。第一種同核異構體為261aRf（或直接記為261Rf），第二種為261bRf（或記為261mRf）。不過，一般認為前者屬於高自旋基態，而後者則屬於低自旋亞穩態。[83]同核異構體261bRf的發現及確認最終使鎶的發現在1996年得到了肯定。[88]
對利用208Pb(50Ti,n)257Rf這條反應的詳細光譜分析確認了257Rf的一種同核異能態。分析發現257gRf有著具15條α譜線的複雜光譜，並算出了兩種同核異構體的能級結構圖。[89]類似的同核異構體也被發現存在於256Rf中。[90]
預測的屬性
[編輯]化學屬性
[編輯]鑪是第一個超重元素及錒系後元素，也是第二個6d系過渡金屬。對鑪以及其離子態的電離能、原子半徑等屬性的計算指出，鑪與鉿相似，但與鉛相異。人們依此推斷，鑪的基本屬性會和其他的4族元素（鈦、鋯及鉿）相似。[91][64]它的一些屬性是通過氣態及水溶化學實驗而取得的。同族前兩個元素的唯一穩定氧化態為+4，因此鑪也應會有+4氧化態。[91]另外，鑪也預計會產生較不穩定的+3態。[2]
對鑪化學屬性的計算指出，相對論性效應足以使p軌域的能級比d軌域的要低，價電子排布將為6d1 7s2 7p1或甚至為7s2 7p2，因此與鉿相比，鉛會和鑪更為相似。然而通過更準確的計算及對鑪化合物的化學研究指出，鑪的屬性與4族元素的相符。[91][2]
與鋯和鉿相似，鑪預計會形成一種非常穩定的高熔點氧化物RfO2。它會和鹵素反應形成四鹵化物RfX4，在與水接觸後會水解成氧鹵化物RfOX2。這些四鹵化物都是具揮發性的固體，在呈氣態時為單體四面體分子。[91]
在水溶狀態時，Rf4+離子的水解程度較Ti4+低，但與鋯和鉿的相約。鑪的鹵化物與鹵素離子混合時，會促進形成絡離子。使用氯離子和溴離子時，反應會產生RfCl2−
6和RfBr2−
6。鋯和鉿會形成七氟及八氟絡合物，因此更大的鑪離子應該可以形成RfF2−
6、RfF2−
7和RfF4−
8。[91]
物理及原子屬性
[編輯]鑪在一般狀態下預計會是一種固體，[92]其密度會很高，約為23 g/cm3。相比之下，已知密度最高的元素——鋨——的密度為22.61 g/cm3。這是由於鑪擁有高原子量，以及由於錒系收縮和相對論性效應。實際產生足夠的鑪來測量這些屬性卻是不切實際的，而且就算製成了，樣本也會迅速衰變。鑪的原子半徑預測約為150 pm。相對論性效應使鑪的7s軌域具有穩定性，而6d軌域則有不穩定性，因此Rf+和Rf2+離子會失去6d電子，而非7s電子。這是和同族的較輕元素相反的。[2]
實驗化學
[編輯]| 公式 | 名稱 |
|---|---|
| RfCl4 | 四氯化鑪 |
| RfBr4 | 四溴化鑪 |
| RfOCl2 | 氯氧化鑪 |
| [RfCl6]2− | 六氯合鑪(IV)酸陰離子 |
| [RfF6]2− | 六氟合鑪(IV)酸陰離子 |
| K2[RfCl6] | 六氯合鑪(IV)酸鉀 |
氣態
[編輯]
早期對鑪的化學研究主要集中於使用氣態熱力色譜法及對相對沉積溫度吸附曲線的測量。最早在這一方面的研究是由杜布納進行的，他們希望以此確認鑪的發現。這些實驗使用了261mRf同位素。實驗假設鑪是第一個6d系元素，因此會形成四氯化物。[91][78][93]四氯化鑪比四氯化鉿（HfCl4）揮發性更高，因為其中的化學鍵更似共價鍵。[2]
一系列的實驗已經證實，鑪具有典型的4族元素特性，會形成RfCl4和RfBr4，以及一種氯氧化物RfOCl2。在使用固態而非氣態的氯化鉀時，所產生的RfCl
4的揮發性降低了。這表示產生了不揮發的K
2RfCl
6混合鹽。[91][64][94]
水溶態
[編輯]鑪的電子排布預計為[Rn]5f14 6d2 7s2，因此會具有鉿的4族同族元素的屬性。它會在強酸中形成Rf4+水合離子，並在氫氯酸、氫溴酸或氫氟酸中形成絡合物。[91]
至今最具確定性的鑪水溶化學研究是由日本原子能研究所進行的，使用的為261mRf放射性同位素。實驗分別用鑪、鉿、鋯及釷在氫氯酸中進行提取，並證實了鑪不具備錒系元素的特性。在和其同族元素對比之下，鑪能夠肯定地歸為4族元素。在氯離子溶液中，鑪會形成六氯化鑪絡離子，這與鉿和鋯相似。[91][95]
- 261mRf4+ + 6 Cl−
→ [261mRfCl6]2-
在氫氟酸中的情況類似。鑪對氟離子的親和力較弱，並會形成六氟化鑪絡離子，而鉿和鋯則在同樣的氟離子濃度下產生了七氟甚至八氟絡離子：[91]
- 261mRf4+ + 6 F−
→ [261mRfF6]2-
注釋
[編輯]- ^ 「鑪」，拼音：lú，注音：ㄌㄨˊ，粵拼：lou4，音同「盧」
- ^ 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[7]或112[8]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。[9]
- ^ 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。[10]作為比較，發現𨭆的反應208Pb + 58Fe的截面為19+19
-11 pb。[11] - ^ 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。[15] - ^ 這個值也是普遍接受的複合原子核壽命上限。[19]
- ^ 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。[21]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。[22]
- ^ 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。[29]
- ^ 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。[33]
- ^ 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。[38]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，[39]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）。[40]
- ^ 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。[30]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，[41]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。[42]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。[19]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。[41]
- ^ 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。[43]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。[44]次年，勞倫斯伯克利國家實驗室無法重現瑞典的結果。他們宣布合成了該元素，但後來也被駁回。[44]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，[45]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）。[46]由於nobelium這個名稱在三十年間已被廣泛使用，因此沒有更名。[47]
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參考書目
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外部連結
[編輯]- 元素鑪在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
- EnvironmentalChemistry.com —— 鑪（英文）
- 元素鑪在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
- 元素鑪在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
- WebElements.com – 鑪（英文）
