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原子序數為117的化學元素 来自维基百科，自由的百科全书
）[6][7][8]（英語：Tennessine），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為Ts，原子序數為117，在當前所有已發現的元素中原子序第二高，僅次於118號元素鿫。鿬是一種放射性極強、極為不穩定的超重元素，不存在於自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器人工合成，於2009年[9]用鈣撞擊鉳而發現。其所有同位素的半衰期都極短，最長壽的已知同位素為294Ts，半衰期僅約51毫秒。
2009年，一個美俄聯合科學團隊在俄羅斯杜布納聯合原子核研究所首次宣佈發現鿬。2011年的另一項實驗直接生成了鿬的其中一種子同位素，這證實了2010年實驗的一部份結果；原先的實驗在2012年成功得到重現。2014年，德國亥姆霍茲重離子研究中心也宣佈成功重現該實驗。2015年，負責檢驗超重元素合成實驗的IUPAC/IUPAP聯合工作小組（JWP）確認117號元素已被發現，命名該元素的提議權由美俄聯合科學團隊取得。鿬的發現晚於118號元素鿫，是截至目前為止最新發現的化學元素。其名稱得自美國田納西州。
在元素週期表中，鿬是位於p區的錒系後元素，為第7週期的倒數第二個元素，位於第17族、所有鹵素之下。[a]由於相對論效應，鿬的性質很可能和鹵素有顯著地差異。科學家預計鿬會是一種揮發性金屬，既不形成陰離子，也不會產生高氧化態，但其熔點、沸點和第一電離能則預計遵從週期表的規律。
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。[16]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。[17]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。[17]
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。[17][18]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。[17]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。[17]
兩個原子核聚變產生的原子核處於非常不穩定，[17]被稱為複合原子核的激發態。[20]複合原子核為了達到更穩定的狀態，可能會直接裂變，[21]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。[21]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。[22][e]
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。[24]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。[24]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。[27]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。[24]
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。[28]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。[29][30]超重元素理論預測[31]及實際觀測到[32]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，[34]而主要通過自發裂變衰變的最輕核素有238個核子。[32]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。[29][30]
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。[36]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。[30]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，[37]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[38]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。[30][39]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。[30][39]隨後的發現表明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。[40]對較輕的超重核素[41]以及那些更接近穩定島的核素[37]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。[24]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]2004年，位於俄羅斯莫斯科州杜布納的聯合核研究所（JINR）的一個團隊提議進行合成117號元素的實驗。該實驗以鈣（原子序20）粒子束轟擊錇目標體，從而產生核聚變反應。[52]但是，美國橡樹嶺國家實驗室是世界上唯一能夠製成錇的實驗室，其團隊以產量不足為由未能提供這一元素。[52]俄羅斯團隊決定轉而用鈣轟擊鉲目標體，嘗試合成鿫。[53]
實驗需要難以取得的錇元素，有以下的原因。要產生高能離子束，需較輕的同位素。鈣-48由20個質子和28個中子組成，是具有多個過剩中子的最輕的穩定（或近穩定）同位素。下一個具有大量過剩中子的同位素為鋅-70，其質量比鈣高出許多。要與含有20個質子的鈣結合成Ts同位素，就需要含有97個質子的錇。[32]俄羅斯研究人員從地球上自然的鈣中提取少量的鈣-48，以化學方式製成了所需的鈣離子束。[54][55]
合成的原子核將具有更高的質量，更加靠近所謂的穩定島，即理論預測中穩定性特別高的一組超重原子。然而到了2013年，質量足夠高的原子核還沒有被合成，而已經合成的同位素也比穩定島同位素具有較低的中子數。[56]
美國團隊在2008年重啟了製造錇的計劃，並與俄羅斯團隊建立了合作關係。[52]計劃產生了22微克的錇，足以進行合成實驗。[58]錇樣本經90天冷卻後，再經90天的化學純化過程。[59]這一錇目標體必須及時送往俄羅斯，因為錇-249的半衰期只有330天，即錇的量每330天因衰變而減半。實驗必須在目標體運輸算起的六個月之內進行，否則會因樣本量過小而無法進行。[59]2009年夏，目標體裝載在五個鉛製容器中，搭乘紐約至莫斯科的航班送達俄羅斯。[59]
俄羅斯海關兩次以文件不全為由拒絕了樣本的通關，因此樣本共五次飛越大西洋，一共花費了幾天時間。[59]到達以後，它被送往烏里揚諾夫斯克州季米特洛夫格勒，固定在鈦薄片上，然後運往杜布納，安裝在JINR粒子加速器上。這是世界上用於合成超重元素的最強大的粒子加速器。[58]
實驗在2009年6月展開，直到2010年1月，弗廖洛夫核反應實驗室的科學家在內部宣佈成功探測到原子序為117的新元素的放射性衰變：一個奇數－奇數同位素和一個奇數－偶數同位素的共兩條衰變鏈，前者經6次α衰變後自發裂變，後者經3次α衰變後自發裂變。[60]2010年4月9日，團隊在《物理評論快報》上刊登了該項發現的正式報告。以上的兩條衰變鏈分別屬於294Ts和293Ts同位素，其合成反應分別為：[57]
在Ts被合成之前，其所有子同位素都尚未被發現，[57]所以這項結果不能用於向IUPAC/IUPAP聯合工作小組（JWP）申請證實元素的發現。Ts的其中一個衰變產物鏌-289在2011年被直接合成，其衰變性質與合成Ts時所測得的數據相符。[61]不過當JWP在2007至2011年審閱各種鎶後元素的發現時，參與發現Ts的團隊並沒有向JWP提出申請。[62]杜布納團隊在2012又成功重現了實驗，其結果與先前的實驗吻合。[5]團隊其後提交了新元素發現的申請書，[63]JWP正在審閱這一申請。[64]
2014年5月2日，德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心的科學家宣佈成功證實了Ts的發現。[65][66]他們亦因此發現了新的鐒-266同位素。該同位素是𨧀-270的α衰變產物（在杜布納進行的實驗中，𨧀-270進行的是自發裂變），[4][67]半衰期為11小時，是所有超重元素的已知同位素中壽命最長的。鐒-266可能就位於穩定島的「岸邊」。[68]
根據德米特里·門捷列夫對未發現元素的命名方法，117號元素可稱為「eka-砹」或「dvi-碘」。1979年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）發佈了有關新元素命名的建議，根據這一規則117號元素應稱為「Ununseptium」，符號為Uus。[69]在元素被發現並獲得正式永久命名之前，都會先以元素系統命名法命名。但科學家一般稱之為117號元素、(117)或117。[2]根據IUPAC目前的指引，所有新17族元素的正式命名都要以「-ine」結尾。IUPAC於2016年6月8日建議將此元素命名為Tennessine（Ts），源於橡樹嶺國家實驗室、范德堡大學和田納西大學所在的田納西州，此名稱於2016年11月28日正式獲得認可。[70]
2017年1月15日，中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會聯合國家語言文字工作委員會組織化學、物理學、語言學界專家召開了113號、115號、117號、118號元素中文定名會，將此元素命名為鿬（讀音同「田」）。[7][8]
2017年4月5日，中華民國國家教育研究院的化學名詞審譯委員會審譯修正通過之「化學元素一覽表」將此元素命名為「鿬」，音同「田」。[6]
鈈-244是地殼中質量最高的原始元素。對於鈈以後的元素，隨著原子序的增加，原子核的穩定性迅速下降。所有原子序超過101（鍆）的同位素都會進行半衰期不超過一天的放射性衰變，其中𨧀-268除外。原子序超過82（鉛）的元素都沒有穩定的同位素[72]，且同位素的穩定性隨著原子序的增大而逐漸降低。不過，原子序110（鐽）至114（鈇）的元素卻具有比預測值更高的穩定性。科學家尚未明白這一現象的原因。這一超重元素穩定性增加的現象被稱為「穩定島」，最早是由格倫·西奧多·西博格所提出的。[73]Ts是所有已合成元素中質量第二高的，其放射性半衰期小於1秒，但這仍然比發現報告中的預測值高。[57]杜布納團隊相信，這一元素的成功合成直接證明了穩定島的存在。[74]
根據計算，295Ts同位素的半衰期為18 ± 7毫秒，而且曾用於合成293Ts和294Ts的錇-鈣反應也可以用來合成295Ts。但是這一反應產生295Ts的機率最多只有產生294Ts的七分之一。[75][76][77]利用量子穿隧模型來進行的計算預測，有多個Ts的同位素都能進行半衰期長達40毫秒的α衰變，其中以296Ts最為顯著（此項研究到303Ts為止）。[78]另一項利用液滴模型的研究得出了相似的結果，而且還發現，質量比301Ts高的同位素有穩定性增加的趨勢。到了335Ts，在不考慮β衰變的情況下，其半衰期甚至超過了宇宙的年齡。[79]
鿬屬於元素週期表中的17族，位於五個鹵素以下（氟、氯、溴、碘和砹）。所有鿬以上的17族元素都具有7個價電子，形成ns2np5價電子排布。對於鿬，這一規律將會持續，價電子排布預計為7s27p5，[2]所以鿬的許多性質都會和鹵素相似。但是鿬和鹵素之間還有不少顯著的差別。其中一個最大的因素是自旋-軌道作用，即電子的運動與自旋之間的相互作用。這一作用在超重元素中特別強，因為它們的電子運動速度比輕元素快得多，速率與光速相當。[80]對於Ts，該作用降低了7s和7p電子能級，這使得這些電子更加穩定。其中兩個7p電子的穩定效應比其他4個電子更強。[81]7s電子的穩定效應稱為惰性電子對效應，而把7p支殼層拆分為較穩定和較不穩定兩個部份的效應則稱為支殼層分裂。對於計算化學家來說，這種分裂相當於第二量子數（角量子數）l從1變為1/2和3/2，分別對應於7p支殼層的較穩定和較不穩定部份。[82][m]鿬的價電子排布寫法可以表現出這種分裂效應：7s2
7p2
1/27p3
3/2。[2]
鿬的6d電子層也有分裂的現象，形成6d3/2（4個電子）和6d5/2（6個電子）支殼層。這兩個支殼層的能量都有所提升，更為接近7s電子層，[81]但科學家並沒有預測任何涉及6d電子的化學反應。[來源請求]7p1/2和7p3/2層之間的距離異常高，有9.8 eV。[81]砹的6p支殼層分裂只有3.8 eV，[81]而且其6p1/2化學反應已經非常有限。[83]這些原因都導致鿬的化學性質與位於其上的同族元素不同。
鿬的第一電離能，即從原子移除一顆電子所需的能量，預測為7.7 eV。這比上面的鹵素低，延續了週期表的趨勢。[2]它的電子親和能將會是17族中最低的，預測值為2.6或1.8 eV，這同樣符合規律。[2]當鿬處於類氫原子狀態時（即只含有一顆電子），其電子的運動速度極快，相對論效應使它的質量增加至靜止電子的1.9倍。砹的這一數值為1.27，而碘則是1.08。[84]根據相對論定律簡單地推算，可間接得出原子半徑的收縮。[84]不過，更詳細的計算卻顯示，形成了一個共價鍵的鿬原子的半徑為165 pm，而砹則是147 pm。[85]當移除了7顆外層電子後，鿬才比砹更小：鿬半徑變為57 pm，[2]砹則是61 pm。[86]
鿬的熔點和沸點尚未有確切的預測值。早期論文估計，熔點為350至500 °C，沸點在550 °C；[2]另有估計熔點為350至550 °C，沸點為610 °C。[87]這些數值都比砹高，這與週期表趨勢相符。之後的一篇論文則預計鿬的沸點為345 °C[88]（砹的沸點估值有309 °C、[89]337 °C[90]和370 °C，[91]但實驗值有230 °C[92]和411 °C[86]）。密度預計在7.1和7.3 g·cm−3之間。[3]
17族中位於鿬以上的元素通常會接受一顆電子，以達致穩定的惰性氣體電子排布。這種排布中，價電子殼層含有8個電子，形成具有最低能量的八隅體構造。[93]該族元素形成八隅體的能力隨著原子序的增加而降低，因此鿬將會是17族中最不易接受一個電子的元素。在Ts預測能夠形成的氧化態中，−1態是最不常見的。[2]
兩個鿬原子預計會形成Ts–Ts鍵，與鹵素一樣形成雙原子分子。根據計算，At2分子中的σ鍵具有很強的反鍵性質；而Ts預計會持續這一趨勢，Ts2分子會有較強的π鍵性質。[2][94]TsCl分子會以單個π鍵鍵合。[94]
除了不穩定的−1態之外，預測鿬還能夠形成+5、+3和+1態。其中+1態應該是最為穩定的，因為最外層7p3/2電子的去穩定作用使它形成穩定的半滿支殼層排布；[2]砹有著類似的特性。[95]+3態同樣因7p3/2電子的去穩定作用而十分重要。[87]根據預測，+5態將非常罕見，因為7p1/2電子具有（反向）穩定作用。[2]計算並沒有得出+7態的存在。而且由於7s電子的穩定性很強，所以有科學家認為Ts的價電子核心可能只有5個電子。[96]
最簡單的鿬化合物是它的氫化物TsH。這一化合鍵是由鿬的7p3/2電子和氫的1s電子所形成的。TsH會延續鹵素氫化物的趨勢，與砹化氫（HAt）相比，其鍵長更長，離解能也更高。[2]然而在自旋-軌道作用下，TsF分子的離解能也有所提高。這是因為這一鍵合降低了Ts的電負性，使它與電負性極高的氟所形成的鍵更似一個離子鍵。[97]TsF很可能是17族元素的一氟化物中鍵合最強的一個。[97]
價層電子對互斥理論預測，17族的三氟化物都會具有T形分子結構。所有已知的鹵素的三氟化物都有這種分子結構：AX
3E
2，即三個配位體（X）和兩個孤電子對（E）圍繞著一個中心原子（A）。如果不考慮相對論效應，TsF
3應該會和較輕同系物一樣具有彎曲T形分子結構。不過，鿬的7s殼層電子應該不會參與任何化學反應，所以價層電子對互斥理論所預測的是一種三方金字塔形分子結構（AX
3E
1）。更加細緻複雜的理論則顯示，這一分子結構並不是TsF
3的最佳能量狀態。這些理論所預測的是三方平面分子結構（AX
3E
0）。價層電子對互斥理論有可能無法準確預測超重元素的化合物分子結構。[96]另外，自旋-軌道作用大大加強了TsF
3分子的穩定性。這可能是因為，鿬和氟之間電負性的巨大差異造成分子呈現一些離子的性質。[96]
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