𫟷
𫟷[6][7](拼音:lì,注音:ㄌ丨ˋ,粤拼:lap6,音同“立”;英语:Livermorium),是一种人工合成的化学元素,其化学符号为Lv,原子序数为116。𫟷是一种放射性极强的超重元素,所有同位素的半衰期都极短,极为不稳定,其最长寿的已知同位素为𫟷-293,半衰期仅约60毫秒。𫟷不出现在自然界中,只能在实验室内以粒子加速器人工合成。至今约有30个𫟷原子被探测到,其中一些为直接合成的,其馀则是鿫的衰变产物。
𫟷元素是以美国的劳伦斯利佛摩国家实验室(英语:Lawrence Livermore National Laboratory)命名,该实验室与俄罗斯杜布纳的杜布纳联合原子核研究所合作,在西元2000至2006年之间的实验中发现了此元素。该实验室的名称中包含了它所在的城市之名,即加利福尼亚州的利佛摩;而该城市是以农场主兼地主罗伯特·利佛摩(英语:Robert Livermore)所命名。此元素的名称在西元2012年5月30日被IUPAC采用。[2]
在元素周期表中,𫟷是位于p区的锕系后元素,属于第7周期、第16族(氧族),是已知最重的氧族成员。由于没有足够稳定的同位素,因此目前未能通过化学实验来验证𫟷是否为同族的钋的化学同系物。根据计算,𫟷的一些性质与其同族的较轻元素(氧、硫、硒、碲、钋)相近,且属于后过渡金属,尽管计算也显示𫟷的某些性质可能和同族元素有较大差异。
概述
超重元素(英语:Superheavy element)是指原子序数超过103(铹)的重元素。这些元素均为人工合成元素,具有极高的放射性,半衰期很短,非常不稳定。其中原子序位于104(𬬻)与120(Ubn)之间者称为锕系后元素;原子序位于121(Ubu)与153(Upt)之间者则称为超锕系元素。目前所发现原子序数最大的超重元素是118号的鿫。由于超重元素的原子序数都大于92(铀),因此所有的超重元素也都属于超铀元素。视对3族元素的定义,103号元素铹也有可能为了完成第7周期过渡金属,同样列为超重元素。[8][9][10]
虽然超重元素的半衰期大多极短,且有随着原子序数的增加而缩短的趋势,然而也有例外:例如𬭊、鿔、𫓧和𫟷的一些同位素的半衰期就比预料中的还要长。格伦·西奥多·西博格预言了在这一系列元素中有更多的反常元素,并且把它们归类于“稳定岛”,即质子数或中子数为幻数的原子核具有特别的稳定性。
由于超重元素的生产难度极高,每次的产量也极少(至多数十颗原子),且半衰期都极短,非常不稳定,生成后会快速衰变,因此在科学研究之外没有任何实际用途。
超重元素中未发现的元素及已发现但尚未正式命名的元素,皆使用IUPAC元素系统命名法。超重元素的命名曾引起很大的争论,104到109号元素命名的争论从二十世纪六十年代开始,一直到1997年才解决(参见超镄元素争议)。
概论
超重元素的合成
外部视频链接 | |
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基于澳大利亚国立大学的计算,核聚变未成功的可视化[11] |
超重元素[a]的原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说,两个原子核的质量之差越大,两者就越有可能发生反应。[17]由较重原子核组成的物质会作为靶子,被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候,才能聚变成一个原子核。原子核都带正电荷,会因为静电排斥力而相互排斥,所以只有两个原子核的距离足够短时,强核力才能克服这个排斥力并发生聚变。粒子束因此被粒子加速器大大加速,以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。[18]施加到粒子束上以加速它们的能量可以使它们的速度达到光速的十分之一。但是,如果施加太多能量,粒子束可能会分崩离析。[18]
不过,只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变:当两个原子核逼近彼此时,它们通常会融为一体约10−20秒,之后再分开(分开后的原子核不需要和先前相撞的原子核相同),而非形成单一的原子核。[18][19]这是因为在尝试形成单个原子核的过程中,静电排斥力会撕开正在形成的原子核。[18]每一对目标和粒子束的特征在于其截面,即两个原子核彼此接近时发生聚变的概率。[c]这种聚变是量子效应的结果,其中原子核可通过量子穿隧效应克服静电排斥力。如果两个原子核可以在该阶段之后保持靠近,则多个核相互作用会导致能量的重新分配和平衡。[18]
两个原子核聚变产生的原子核处于非常不稳定,[18]被称为复合原子核的激发态。[21]复合原子核为了达到更稳定的状态,可能会直接裂变,[22]或是放出一些中子来带走激发能量。如果激发能量太小,无法放出中子,复合原子核就会放出γ射线来带走激发能量。这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生,并创造出更稳定的原子核。[22]原子核只有在10−14秒内不衰变,IUPAC/IUPAP联合工作小组才会认为它是化学元素。这个值大约是原子核得到它的外层电子,显示其化学性质所需的时间。[23][d]
衰变和探测
粒子束穿过目标后,会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核,它就会存在于这个粒子束中。[25]在分离室中,新的原子核会从其它核素(原本的粒子束和其它反应产物)中分离,[e]到达半导体探测器后停止。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[25]这个转移需要10−6秒的时间,因此原子核需要存在这么长的时间才能被检测到。[28]若衰变发生,衰变的原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。[25]
原子核的稳定性源自于强核力,但强核力的作用距离很短,随着原子核越来越大,强核力对最外层的核子(质子和中子)的影响减弱。同时,原子核会被质子之间,范围不受限制的静电排斥力撕裂。[29]强核力提供的核结合能以线性增长,而静电排斥力则以原子序数的平方增长。后者增长更快,对重元素和超重元素而言变得越来越重要。[30][31]超重元素理论预测[32]及实际观测到[33]的主要衰变方式,即α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。[f]几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子,[35]而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。[33]有限位势垒在这两种衰变方式中抑制了原子核衰变,但原子核可以隧穿这个势垒,发生衰变。[30][31]
放射性衰变中常产生α粒子是因为α粒子中的核子平均质量足够小,足以使α粒子有多余能量离开原子核。[37]自发裂变则是由静电排斥力将原子核撕裂而致,会产生各种不同的产物。[31]随着原子序数增加,自发裂变迅速变得重要:自发裂变的部分半衰期从92号元素铀到102号元素锘下降了23个数量级,[38]从90号元素钍到100号元素镄下降了30个数量级。[39]早期的液滴模型因此表明有约280个核子的原子核的裂变势垒会消失,因此自发裂变会立即发生。[31][40]之后的核壳层模型表明有大约300个核子的原子核将形成一个稳定岛,其中的原子核不易发生自发裂变,而是会发生半衰期更长的α衰变。[31][40]随后的研究发现预测存在的稳定岛可能比原先预期的更远,还发现长寿命锕系元素和稳定岛之间的原子核发生变形,获得额外的稳定性。[41]对较轻的超重核素[42]以及那些更接近稳定岛的核素[38]的实验发现它们比先前预期的更难发生自发裂变,表明核壳层效应变得重要。[g]
α衰变由发射出去的α粒子记录,在原子核衰变之前就能确定衰变产物。如果α衰变或连续的α衰变产生了已知的原子核,则可以很容易地确定反应的原始产物。[h]因为连续的α衰变都会在同一个地方发生,所以通过确定衰变发生的位置,可以确定衰变彼此相关。[25]已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别,例如衰变能量(或更具体地说,发射粒子的动能)。[i]然而,自发裂变会产生各种分裂产物,因此无法从其分裂产物确定原始核素。[j]
尝试合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息,即原子核到达探测器的位置、能量、时间以及它衰变的信息。他们分析这些数据并试图得出结论,确认它确实是由新元素引起的。如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论,且对观察到的现象没有其它解释,就可能在解释数据时出现错误。[k]
已发现的超重元素列表
元素名称 | 元素符号 | 原子序数 | 首次合成年代 |
---|---|---|---|
𬬻 | Rf | 104 | 1966(苏联),1969(美国)* |
𬭊 | Db | 105 | 1968(苏联),1970(美国)* |
𬭳 | Sg | 106 | 1974 |
𬭛 | Bh | 107 | 1981 |
𬭶 | Hs | 108 | 1984 |
鿏 | Mt | 109 | 1982 |
𫟼 | Ds | 110 | 1994 |
𬬭 | Rg | 111 | 1994 |
鿔 | Cn | 112 | 1996 |
鿭 | Nh | 113 | 2003 |
𫓧 | Fl | 114 | 1999 |
镆 | Mc | 115 | 2003 |
𫟷 | Lv | 116 | 2000 |
鿬 | Ts | 117 | 2010 |
鿫 | Og | 118 | 2002 |
* 视为共同拥有发现权 |
参见
注释
- ^ 在核物理学中,原子序高的元素可称为重元素,如82号元素铅。超重元素通常指原子序大于103(也有大于100[12]或112[13]的定义)的元素。有定义认为超重元素等同于锕系后元素,因此认为还未发现的超锕系元素不是超重元素。[14]
- ^ 2009年,由尤里·奥加涅相引领的团队发表了他们尝试通过对称的136Xe + 136Xe反应合成𬭶的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子,因此设置截面,即发生核反应的概率的上限为2.5 pb。[15]作为比较,发现𬭶的反应208Pb + 58Fe的截面为19+19
-11 pb。[16] - ^ 施加到粒子束以加速它的能量也会影响截面。举个例子,在28
14Si
+ 1
0n
→ 28
13Al
+ 1
1p
反应中,截面会从12.3 MeV的370 mb变化成18.3 MeV的160 mb,最高值是13.5 MeV的380 mb。[20] - ^ 这个值也是普遍接受的复合原子核寿命上限。[24]
- ^ 分离基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标这一点。分离器中包含电场和磁场,它们对运动粒子的影响会因粒子的特定速度而被抵消。[26]飞行时间质谱法和反冲能量的测量也有助于分离,两者结合可以估计原子核的质量。[27]
- ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的,β衰变便是弱核力导致的。[34]
- ^ 早在1960年代,人们就已经知道原子核的基态在能量和形状上的不同,也知道核子数为幻数时,原子核就会更稳定。然而,当时人们假设超重元素的原子核因为过于畸形,无法形成核子结构。[38]
- ^ 超重元素的原子核的质量通常无法直接测量,所以是根据另一个原子核的质量间接计算得出的。[43]2018年,劳伦斯伯克利国家实验室首次直接测量了超重原子核的质量,[44]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的(位置有助于确定其轨迹,这与原子核的质荷比有关,因为转移是在有磁铁的情况下完成的)。[45]
- ^ 如果在真空中发生衰变,那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒,衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[35]这些计算也适用于实验,但不同之处在于原子核在衰变后不会移动,因为它与探测器相连。
- ^ 自发裂变由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现,[46]而他也是杜布纳联合原子核研究所的科学家,所以自发裂变就成了杜布纳联合原子核研究所经常讨论的课题。[47]劳伦斯伯克利国家实验室的科学家认为自发裂变的信息不足以声称合成元素,他们认为对自发裂变的研究还不够充分,无法将其用于识别新元素,因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子,而不是质子或α粒子等带电粒子。[24]因此,他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[46]
- ^ 举个例子,1957年,瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所错误鉴定102号元素。[48]早先没有关于该元素发现的明确声明,所以瑞典、美国、英国发现者将其命名为nobelium。后来证明该鉴定是错误的。[49]次年,劳伦斯伯克利国家实验室无法重现瑞典的结果。他们宣布合成了该元素,但后来也被驳回。[49]杜布纳联合原子核研究所坚持认为他们第一个发现该元素,并建议把新元素命名为joliotium,[50]而这个名称也没有被接受(他们后来认为102号元素的命名是仓促的)。[51]由于nobelium这个名称在三十年间已被广泛使用,因此没有更名。[52]
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参考书目
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- Kragh, H. From Transuranic to Superheavy Elements: A Story of Dispute and Creation. Springer. 2018. ISBN 978-3-319-75813-8.
历史
失败的合成尝试
对116号元素的第一次搜寻,是由Ken Hulet与他的团队在西元1977年于劳伦斯利佛摩国家实验室(LLNL)执行,他们利用了248Cm与48Ca的反应,但当时侦测不到任何𫟷原子。[1] 西元1978年,尤里·奥加涅相与他的团队也在杜布纳联合原子核研究所的Flerov Laboratory of Nuclear Reactions (FLNR)尝试做该反应,但也没有成功。西元1985年,柏克莱与Peter Armbruster在GSI的团队合作实验,实验结果也是否定的,该次实验中计算出的截面极限是10–100皮靶。然而,在杜布纳,与48Ca有关的反应持续在进行(48Ca已被证明在用natPb+48Ca的反应合成锘的实验中很有用)。西元1989年,超重元素分离器被开发出来。西元1990年,开始了靶材料的寻找及与LLNL的合作。西元1996年,开始生产更高强度的48Ca粒子束。西元1990年代,完成了灵敏度高出3个数量级的长期实验的准备。这些工作直接导致了有锕系元素靶与48Ca的反应中,元素112至118的新同位素的产生,也导致了元素周期表中最重的五个元素(𫓧、镆、𫟷、鿬、鿫)的发现。[2]
西元1995年,Sigurd Hofmann领导的国际团队在德国达姆施塔特的Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) 尝试合成116号元素。他们执行铅-208的靶与硒-82的入射粒子之间的辐射捕获反应。在反应之中,复合核以纯粹的伽马发射(不发射中子)而去激发。此反应并无侦测到116号元素的原子。[3]
发现
2000年7月19日,位于俄罗斯杜布纳联合核研究所(JINR)的科学家使用48Ca离子撞击248Cm目标,探测到𫟷原子的一次α衰变,能量为10.54 MeV。结果于2000年12月发布。[4]由于292Lv的衰变产物和已知的288Fl关联,因此这次衰变起初被认为源自292Lv。然而其后科学家把288Fl更正为289Fl,所以衰变来源292Lv也顺应更改到293Lv。他们于2001年4至5月进行了第二次实验,再发现两个𫟷原子。[5]
在同样的实验里,研究人员探测到𫓧的衰变,并将此次衰变活动指定到289Fl。[5]在重复进行相同的实验后,他们并没有观测到该衰变反应。这可能是来自𫟷的同核异能素293bLv的衰变,或是293aLv的一条较罕见的衰变支链。这须进行进一步研究才能确认。
研究团队在2005年4月至5月重复进行实验,并探测到8个𫟷原子。衰变数据证实所发现的同位素是293Lv。同时他们也通过4n通道第一次观测到292Lv。[6]
2009年5月,联合工作组在报告中指明,发现了的鿔同位素包括283Cn。[7]283Cn是291Lv的衰变产物,因此该报告意味著291Lv也被正式发现(见下)。
命名
原文名称
𫟷的原文名称Livermorium(Lv),是IUPAC在2012年5月30日正式命名的[9]。之前IUPAC根据系统命名法将之命名为Ununhexium(Uuh)[10]。科学家通常称之为“元素116”(或E116)。
此前𫟷被提议以俄罗斯莫斯科州(Moscow Oblast)名为Moscovium,但由于元素114和116是俄罗斯和美国劳伦斯利福摩尔国家实验室研究人员合作的产物,而元素114已经根据俄罗斯的要求命名,因此元素116最后以实验室所在地美国利弗莫尔市(Livermore)命名为Livermorium(Lv)[11][12]。
中文名称
2012年6月2日,中华民国国家教育研究院的化学名词审译委员会将此元素暂译为鉝。[13][14] 2013年7月,中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会通过以𫟷(读音同“立”)为中文定名。[14]
目前及未来的实验
位于杜布纳的团队表示有意利用244Pu和50Ti的核反应合成𫟷。通过这项实验,他们可以研究是否可能以原子序大于20的发射体来合成原子序大于118的超重元素。虽然原定计划在2008年进行,但这项实验至今仍未开始。[15]
研究团队也有计划使用不同发射体能量来重复248Cm反应,以进一步了解2n通道,从而发现新的同位素294Lv。另外,他们计划在未来完成4n通道产物292Lv的激发函数,并估量N=184核壳层对产生蒸发残留物的稳定效应。
同位素与核特性
目前已知的𫟷同位素共有4个,质量数介于290-293之间,全部都具有极高的放射性,半衰期极短,极为不稳定,且愈重的同位素稳定性愈高,因为它们更接近稳定岛的中心,其中最长寿的同位素为𫟷-293,半衰期为53毫秒,也是目前发现最重的𫟷同位素。此外,未经证实的更重同位素𫟷-294可能也具有较长的半衰期,约为54毫秒。[16]
化学属性
由于𫟷的生产极为昂贵且每次的产量皆极少,产出的𫟷又会在极短时间内发生衰变,因此目前除了核特性外,尚未利用实验测量过任何𫟷或其化合物的化学属性,只能通过理论来预测。
推算的化学属性
氧化态
𫟷预计为7p系非金属的第4个元素,并是元素周期表中16族(VIA)最重的成员,位于钋之下。尽管它是7p系元素中理论研究最少的,它的化学性质预测类似钋。[17]这一族的氧化态为+VI,缺少d轨域,无法超越八隅体的氧除外。氧的最高氧化态只到 +2 ,存在于OF2(理论上存在的三氟𨦡的氧化态为 +4)硫、硒、碲及钋的氧化态都是+IV,稳定性由S(IV)和Se(IV)的还原性到Po(IV)的氧化性。Te(IV)是碲最稳定的氧化态。这表明了相对论效应,尤其是惰性电子对效应对元素性质的影响越来越大。因此,随着元素周期表中氧族元素的下降,较高氧化态的稳定性也跟着下降。 [18]因此,𫟷应有不稳定,有氧化性的+IV态,以及最稳定的+II态。同族其他元素亦能产生−II态,如氧化物、硫化物、硒化物、碲化物和钋化物。𫟷的+2氧化态应该与铍和镁一样容易形成, 而+4氧化态只有在和电负性极高的基团反应才能得到,例如四氟化𫟷 (LvF4)。[19]𫟷的 +6 氧化态应该不存在,因为7s轨道非常稳定,使得𫟷可能只有四颗价电子。[17] 较轻的氧族元素可以形成−2氧化态,存在于氧化物、硫化物、硒化物、碲化物和钋化物中。由于𫟷的 7p3/2 壳层变得不稳定,它的−2氧化态会非常不稳定。这使得𫟷应该只能形成阳离子,[19]尽管与钋相比,𫟷更大的壳层和能量分裂会使得Lv2-的不稳定程度略低于预期。 [18]
化学特性
𫟷的化学特性能从钋的特性推算出来。因此,它应在氧化后产生二氧化𫟷(LvO2)。三氧化𫟷(LvO3)也有可能产生,但可能性较低。在氧化𫟷(LvO)中,𫟷会展现出+II氧化态的稳定性。氟化后它可能会产生四氟化𫟷(LvF4)和/或二氟化𫟷(LvF2)。氯化和溴化后会产生二氯化𫟷(LvCl2)和二溴化𫟷(LvBr2)。碘对其氧化后一定不会产生比二碘化𫟷(LvI2)更重的化合物,甚至可能完全不发生反应。[来源请求]
氢化𫟷 (LvH2) 将会是最重的氧族元素氢化物,也是H2O、H2S、H2Se、H2Te和PoH2)的同系物。钋化氢比大部分金属氢化物共价,因为钋介于金属和类金属之间,还有一些非金属的性质。它的性质介于卤化氢,像是氯化氢(HCl)和金属氢化物,像是甲锡烷 (SnH4)之间。 氢化𫟷将会继续这个趋势 。比起是一种𫟷化物,它更可能是一种氢化物,不过它还是一种分子型化合物。[20] 自旋-轨道作用会使Lv–H键比单纯靠元素周期律推测的长,也会使H–Lv–H的键角比预测的更大。从理论上讲,这是因为未被占用的8s轨道能量较低,并且可以与𫟷的7p轨道发生轨道杂化。 [20] 这种现象被称为“超价轨道杂化”, [20] 在周期表里并不少见。例如,分子型二氟化钙中的钙原子有4s和3d参与的轨道杂化。 [21] 𫟷的二卤化物将会是直线形的,不过更轻的氧族元素的二卤化物是角形的。[22]
参见
注释
参考资料
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外部链接
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- 元素𫟷在Peter van der Krogt elements site的介绍(英文)
- WebElements.com – 𫟷(英文)