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超鈾元素(英語:Transuranium element)在化學上指的是原子序數大於92(鈾)的重元素,皆為不穩定的放射性元素,且除了鎿和鈈之外都是純人造元素。
原子序數從1到92的元素中,除了鍀、鉕、砹和鈁之外,都可以在地球上檢測到相當的量,它們大多具有穩定或長半衰期的同位素,或者是鈾和釷的普遍衰變產物。鍀、鉕、砹和鈁雖然也存在於自然界中,但僅有痕量的存在。砹和鈁只存在於鈾衰變鏈和錒衰變鏈的非常小的分支中,不但難以被生成,半衰期也極短,會很快衰變成其他元素;而原子序數較小的鍀和鉕只能由鈾-238的自發裂變以及由鉬/釹分別發生中子俘獲而產生。
原子序數92以上的超鈾元素由於半衰期較短,從地球誕生至今早已衰變殆盡,且現今自然界中也缺乏形成它們的途徑或機制,因此都是以人工合成的方法產生的,僅有兩個原子序最小的超鈾元素在地球上被發現自然生成:鎿和鈈,不過皆為以痕量的存在。我們可以在富鈾的礦石中檢測到它們的痕跡。這些痕跡是鈾礦石經過中子俘獲後緊接着發生β衰變而生成的,例如以下反應:238U + n → 239U → 239Np → 239Pu。
超鈾元素可以用核反應堆或者粒子加速器人工合成。原子序≤100(鐨以前)的超鈾元素大多是在核反應堆中以中子照射母核種靶核來合成的,能夠較大量地生產。至於原子序超過100的超鈾元素只能以粒子加速器加速帶電粒子撞擊重原子核來合成,合成難度高且產量極少。[1]此外,在核試驗後也會生成少量的超鈾元素,自二戰以來的多次核武器試驗已將至少八種超鈾元素釋放到環境中,包括鎿、鈈、鎇、鋦、錇、鐦、鎄和鐨。[2]
原子序大於103(鐒)的超鈾元素又稱為超重元素,超重元素的半衰期很短,極為不穩定,只能在人工環境中少量製成,且生成後會快速衰變,因此難以對其性質進行詳細研究。[3][4]目前所發現原子序最大的超重元素是118號的鿫。
超鈾元素的半衰期有隨着原子序數的增加而縮短的趨勢,然而也有例外:例如鐒、𨧀、鎶和鈇的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長。格倫·西奧多·西博格預言了在這一系列元素中有更多的反常核種,並且把它們歸類於「穩定島」,即質子數或中子數為幻數的原子核具有特別的穩定性。
超鈾元素中未發現的元素及已發現但尚未正式命名的元素,皆使用IUPAC元素系統命名法。超鈾元素的命名曾引起很大的爭論,104到109號元素命名的爭論從1960年代開始一直到1997年才解決(參見超鐨元素爭議)。
越重的超鈾元素生產難度越大,成本越高,價格隨原子序數增大而快速上漲。截至2008年,武器級鈈的價格約為每克4,000美元[5],而每克鐦的價格超過6,000萬美元。[6]鎄是目前產量能以肉眼所見的最重元素。[7]
序號 | 元素 | 符號 | 電子在每個能階的排佈 |
---|---|---|---|
93 | 鎿 | Np | 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2 |
94 | 鈈 | Pu | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 |
95 | 鎇 | Am | 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2 |
96 | 鋦 | Cm | 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2 |
97 | 錇 | Bk | 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2 |
98 | 鐦 | Cf | 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2 |
99 | 鎄 | Es | 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2 |
100 | 鐨 | Fm | 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2 |
101 | 鍆 | Md | 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2 |
102 | 鍩 | No | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2 |
103 | 鐒 | Lr | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 |
104 | 鑪 | Rf | 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 |
105 | 𨧀 | Db | 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 |
106 | 𨭎 | Sg | 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 |
107 | 𨨏 | Bh | 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 |
108 | 𨭆 | Hs | 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 |
109 | 䥑 | Mt | 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 |
110 | 鐽 | Ds | 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 |
111 | 錀 | Rg | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 1 |
112 | 鎶 | Cn | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 |
113 | 鉨 | Nh | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 |
114 | 鈇 | Fl | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 |
115 | 鏌 | Mc | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 |
116 | 鉝 | 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 |
超鈾元素在科技領域的應用取決於每個核種的核特性(如衰變方式、半衰期、可裂變性等),而不是利用這些元素的物理及化學性質。[8]
鈈-239具有高的熱中子裂變截面,用於製造核武器和用作核反應堆中的核燃料(如快中子增殖反應堆)。
鈈-238和鋦-244衰變時會放出大量熱能,被用作放射性同位素熱電機的熱源,作為人造衛星、太空探測器及無人燈塔等設施的電源。[9][10][11]
鋦-244是α粒子X射線光譜儀中最常見的α粒子射源,用於許多探測車和着陸器等太空探測器。[12]
電離煙霧探測器中使用極微量的鎇-241氧化物作為電離輻射源[13],可用來預防火災。這種煙霧探測器比光學煙霧探測器來得便宜、靈敏度較高,但更容易發生誤報。[14][15][16][17]鎇-241還可用作中子[18]、γ射線及α粒子射源。[19][20]
鐦-252是一種強中子放射源,使用於醫療、科學及工業領域,例如癌症治療[21]、反應堆的啟動中子源[21]、中子射線照相[22]、燃料棒掃描儀[21]及中子活化分析[23]等。
原子序數≥99(鎄以後)的超鈾元素由於半衰期很短,非常不穩定,無法大量生產,因此目前在科學研究之外沒有實際用途。
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