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超铀元素(英语:Transuranium element)在化学上指的是原子序数大于92(铀)的重元素,皆为不稳定的放射性元素,且除了錼和钸之外都是纯人造元素。
原子序数从1到92的元素中,除了锝、钷、砹和钫之外,都可以在地球上检测到相当的量,它们大多具有稳定或长半衰期的同位素,或者是铀和钍的普遍衰变产物。锝、钷、砹和钫虽然也存在于自然界中,但仅有痕量的存在。砹和钫只存在于铀衰变链和锕衰变链的非常小的分支中,不但难以被生成,半衰期也极短,会很快衰变成其他元素;而原子序数较小的锝和钷只能由铀-238的自发裂变以及由钼/钕分别发生中子俘获而产生。
原子序数92以上的超铀元素由于半衰期较短,从地球诞生至今早已衰变殆尽,且现今自然界中也缺乏形成它们的途径或机制,因此都是以人工合成的方法产生的,仅有两个原子序最小的超铀元素在地球上被发现自然生成:錼和钸,不过皆为以痕量的存在。我们可以在富铀的矿石中检测到它们的痕迹。这些痕迹是铀矿石经过中子俘获后紧接着发生β衰变而生成的,例如以下反应:238U + n → 239U → 239Np → 239Pu。
超铀元素可以用核反应堆或者粒子加速器人工合成。原子序≤100(镄以前)的超铀元素大多是在核反应炉中以中子照射母核种靶核来合成的,能够较大量地生产。至于原子序超过100的超铀元素只能以粒子加速器加速带电粒子撞击重原子核来合成,合成难度高且产量极少。[1]此外,在核试验后也会生成少量的超铀元素,自二战以来的多次核武器试验已将至少八种超铀元素释放到环境中,包括錼、钸、鋂、锔、鉳、鉲、鑀和镄。[2]
原子序大于103(铹)的超铀元素又称为超重元素,超重元素的半衰期很短,极为不稳定,只能在人工环境中少量制成,且生成后会快速衰变,因此难以对其性质进行详细研究。[3][4]目前所发现原子序最大的超重元素是118号的鿫。
超铀元素的半衰期有随着原子序数的增加而缩短的趋势,然而也有例外:例如铹、𬭊、鿔和𫓧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核种,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。
超铀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。超铀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1960年代开始一直到1997年才解决(参见超镄元素争议)。
越重的超铀元素生产难度越大,成本越高,价格随原子序数增大而快速上涨。截至2008年,武器级钸的价格约为每克4,000美元[5],而每克鉲的价格超过6,000万美元。[6]鑀是目前产量能以肉眼所见的最重元素。[7]
序号 | 元素 | 符号 | 电子在每个能阶的排布 |
---|---|---|---|
93 | 镎 | Np | 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2 |
94 | 钚 | Pu | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 |
95 | 镅 | Am | 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2 |
96 | 锔 | Cm | 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2 |
97 | 锫 | Bk | 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2 |
98 | 锎 | Cf | 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2 |
99 | 锿 | Es | 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2 |
100 | 镄 | Fm | 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2 |
101 | 钔 | Md | 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2 |
102 | 锘 | No | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2 |
103 | 铹 | Lr | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 |
104 | 𬬻 | Rf | 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 |
105 | 𬭊 | Db | 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 |
106 | 𬭳 | Sg | 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 |
107 | 𬭛 | Bh | 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 |
108 | 𬭶 | Hs | 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 |
109 | 鿏 | Mt | 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 |
110 | 𫟼 | Ds | 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 |
111 | 𬬭 | Rg | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 1 |
112 | 鿔 | Cn | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 |
113 | 鿭 | Nh | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 |
114 | 𫓧 | Fl | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 |
115 | 镆 | Mc | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 |
116 | 𫟷 | Lv | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 |
117 | 鿬 | Ts | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 |
118 | 鿫 | Og | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 |
超铀元素在科技领域的应用取决于每个核种的核特性(如衰变方式、半衰期、可分裂性等),而不是利用这些元素的物理及化学性质。[8]
钸-239具有高的热中子分裂截面,用于制造核武器和用作核反应炉中的核燃料(如快中子增殖反应炉)。
钸-238和锔-244衰变时会放出大量热能,被用作放射性同位素热电机的热源,作为人造卫星、太空探测器及无人灯塔等设施的电源。[9][10][11]
锔-244是α粒子X射线光谱仪中最常见的α粒子射源,用于许多探测车和著陆器等太空探测器。[12]
游离烟雾探测器中使用极微量的鋂-241氧化物作为游离辐射源[13],可用来预防火灾。这种烟雾探测器比光学烟雾探测器来得便宜、灵敏度较高,但更容易发生误报。[14][15][16][17]鋂-241还可用作中子[18]、γ射线及α粒子射源。[19][20]
鉲-252是一种强中子放射源,使用于医疗、科学及工业领域,例如癌症治疗[21]、反应炉的启动中子源[21]、中子射线照相[22]、燃料棒扫描仪[21]及中子活化分析[23]等。
原子序数≥99(鑀以后)的超铀元素由于半衰期很短,非常不稳定,无法大量生产,因此目前在科学研究之外没有实际用途。
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