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原子序数为106的化学元素 来自维基百科,自由的百科全书
𬭳是一种放射性极高的超重元素,所有同位素的半衰期都很短,非常不稳定,寿命最长的同位素的半衰期也只有数分钟。在元素周期表中其位于d区。它是第7周期、第6族的成员,过渡金属6d电子轨道的第4个元素,作为钨之下的同族元素。
公元1974年,前苏联与美国的实验室分别合成出了数颗106号元素的原子。而苏联科学家和美国科学家之间为了发现的优先权以及元素的命名争执数年,最终国际纯化学暨应用化学联合会(IUPAC)才将𬭳作为该元素的正式名称,以纪念对多个超铀元素的发现有着重要贡献的美国化学家格伦·西奥多·西博格。此外,它也是唯二用当时仍在世的人命名的元素,另一个是鿫,原子序118。[b]
超重元素[c]的原子核是在两个不同大小的原子核[d]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。[14]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。[15]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。[15]
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。[15][16]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。[15]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。[e]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。[15]
两个原子核聚变产生的原子核处于非常不稳定,[15]被称为复合原子核的激发态。[18]复合原子核为了达到更稳定的状态,可能会直接裂变,[19]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。[19]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。[20][f]
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。[22]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,[g]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。[22]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。[25]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。[22]
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。[26]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。[27][28]超重元素理论预测[29]及实际观测到[2]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。[h]几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子,[31]而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。[2]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。[27][28]
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。[33]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。[28]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,[34]从90号元素钍到100号元素镄下降了30个数量级。[35]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。[28][36]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。[28][36]随后的发现表明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。[37]对较轻的超重核素[38]以及那些更接近稳定岛的核素[34]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。[i]
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。[j]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。[22]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)。[k]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。[l]
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。[m]𬭳原称106号元素,首次于1974年在阿伯特·吉奥索和E. Kenneth Hulet的带领下,利用劳伦斯伯克利国家实验室的超重离子直线加速器合成出来。[49]他们用18O离子撞击249Cf目标,并产生出新的核素263Sg。该核素进行放射衰变,半衰期为0.9 ± 0.2秒。
发现106号元素的美国团队提出将新元素命名为seaborgium(Sg),以纪念美国化学家格伦·西奥多·西博格。他是该团队的成员之一,并在多个锕系元素的发现中都作出了重要的贡献。这个名称引起了争议。IUPAC所用的临时名称为unnilhexium(Unh),根据IUPAC元素系统命名法。1994年,一个IUPAC委员会提出将元素命名为rutherfordium(104号元素的现称),并规定元素不能以在世的人物命名。[50]美国化学学会强烈抗议这项规定。他们指出,在阿尔伯特·爱因斯坦在世时命名的einsteinium(锿)已经设下了先例,而且调查显示化学家们对西博格仍然在世并没有意见。鉴于国际上对104至107号元素名均存在较大分歧,1997年8月27日IUPAC在协商后正式对101至109号元素的重新英文定名,𬭳的英文现称seaborgium得到了IUPAC的采用及国际上的承认。[51]
全国科学技术名词化学名词审定委员会据此于1998年7月8日重新审定、公布101至109号元素的中文命名,其中首次给出106号元素中文名:“𬭳”(xǐ,音同“喜”)[52],名称源自IUPAC决定的英文名seaborgium(Sg),以纪念美国化学家格伦·西奥多·西博格。[53][54]
经过推算,𬭳是6d系过渡金属的第3个元素,也是元素周期表中6族的最重元素,位于铬、钼和钨以下。该族的所有元素都呈现出+6氧化态,其稳定性随着元素的重量而增加。因此𬭳估计会有稳定的+6态。这个族的稳定+5和+4态也在较重的元素中呈现出来;除铬(III)以外,该族的+3态是还原性的。
𬭳的许多化学特性都是通过同族较轻元素的反应中推算出来的,如从钼和钨。钼和钨很容易形成三氧化物MO3,所以𬭳也应该会形成SgO3。已知的MO3氧化物能溶于碱当中,并形成氧离子,因此𬭳也应形成𬭳酸盐离子SgO42−。另外,WO3能与酸反应,意味着SgO3也会是两性的。钼的氧化物MoO3会与水汽反应,产生氢氧化物MoO2(OH)2,所以SgO2(OH)2也是可能形成的。同族较重的元素容易形成具挥发性和不稳定的六卤化物MX6(X=Cl,F)。只有钨形成不稳定的六溴化钨WBr6。因此,SgF6和SgCl6都是可能形成的化合物,其继承钨的特性有可能表现在六溴化物SgBr6的更高稳定性上。这些卤化物在氧和水汽中都是不稳定的,并会立即形成具挥发性的氧卤化物MOX4和MO2X2。故此SgOX4(X=F,Cl)和SgO2X2(X=F,Cl)应该会形成。在水溶状态下,它们和氟离子形成各种氧氟络负离子,例如MOF5−和MO3F33−。𬭳也预计会形成类似的络合物。
最初研究𬭳化学的实验主要是通过对挥发性氧氯化物进行气态热力色谱法。𬭳原子首先在这条反应中产生: 248Cm(22Ne,4n)266Sg,加热后与O2/HCl混合物反应。产生出的氧氯化物的吸附属性在测量之后与钼和钨作对比。结果显示,𬭳形成了挥发性氧氯化物,与其他6族元素相似:
2001年,一组人员继续研究𬭳的气态化学。他们把𬭳与O2在H2O环境下反应。情况与形成氧氯化物时相近,实验结果显示形成了氢氧化氧𬭳,该反应在较轻的6族元素中是常见的。[55]
在水溶状态下,𬭳的化学与钼和钨的相近,会形成稳定的+6氧化态。𬭳首先在HNO3/HF溶液中被稀释成正离子交换树脂,可能形成中性的SgO2F2或络负离子[SgO2F3]−。0.1 M的HNO3溶液无法稀释𬭳,而相比之下钼和钨则可以。这意味着[Sg(H2O)6]6+的水解最多进行到络正离子[Sg(OH)5(H2O)]+为止。
𬭳除了+6价外,目前唯一已知的氧化态为0。在2014年,𬭳被发现了羰基配合物Sg(CO)6,和同族形成的Cr(CO)6、Mo(CO)6、W(CO)6类似。Sg(CO)6是挥发性的化合物,和二氧化硅接触迅速反应。[56]
公式 | 名称 |
---|---|
SgO2Cl2 | 氧氯化𬭳 |
SgO2F2 | 氧氟化𬭳 |
SgO3 | 三氧化𬭳 |
SgO2(OH)2 | 氢氧化氧𬭳 |
[SgO2F3]− | trifluorodioxoseaborgate(VI) |
[Sg(OH)5(H2O)]+ | aquapentahydroxyseaborgium(VI) |
Sg(CO)6 | 六羰基𬭳 |
同位素 | 半衰期[n] | 衰变方式 | 发现年份 | 发现方法 | |
---|---|---|---|---|---|
数值 | 来源 | ||||
258Sg | 2.7 ms | [2] | SF | 1994年 | 209Bi(51V,2n) |
259Sg | 402 ms | [2] | α | 1985年 | 207Pb(54Cr,2n) |
259mSg | 226 ms | [2] | α, SF | 2015年 | 206Pb(54Cr,n)[57] |
260Sg | 4.95 ms | [2] | SF, α | 1985年 | 208Pb(54Cr,2n) |
261Sg | 183 ms | [2] | α, β+, SF | 1985年 | 208Pb(54Cr,n) |
261mSg | 9.3 μs | [2] | IT | 2009年 | 208Pb(54Cr,n) |
262Sg | 10.3 ms | [2] | SF, α | 2001年 | 270Ds(—,2α) |
263Sg | 940 ms | [2] | α, SF | 1994年 | 271Ds(—,2α) |
263mSg | 420 ms | [2] | α | 1974年 | 249Cf(18O,4n) |
264Sg | 78 ms | [2] | SF | 2006年 | 238U(34Si,4n) |
265Sg | 9.2 s | [2] | α | 1993年 | 248Cm(22Ne,5n) |
265mSg | 16.4 s | [2] | α | 1993年 | 248Cm(22Ne,5n) |
266Sg | 390 ms | [2] | SF | 2004年 | 270Hs(—,α) |
267Sg | 9.8 min | [1] | SF, α | 2004年 | 271Hs(—,α) |
267mSg | 1.7 min | [1] | SF | 2024年 | 271Hs(—,α) |
268Sg | 13 s | [58] | SF | 2022年 | 276Ds(—,2α) |
269Sg | 5 min | [2] | α | 2010年 | 285Fl(—,4α) |
271Sg | 31 s | [6] | α, SF | 2003年 | 287Fl(—,4α) |
如同其他高原子序的超重元素,𬭳的所有同位素都具有极高的放射性,寿命短暂,非常不稳定。目前已知的𬭳同位素有12个(不包括亚稳态及K旋同核异构体)。半衰期最长的是267Sg和269Sg,半衰期分别为9.8分钟和5分钟。半衰期最短的是261mSg,会进行内部转变。其半衰期为92微秒。
最初的研究辨认出一次8.63 MeV的α衰变,半衰期约为21秒,并指向266Sg的基态。之后的研究辨认出一个以8.52和8.77 MeV能量进行α放射的核素,其半衰期约为21秒。这对偶-偶核素来说是罕见的。近期有关合成270Hs的工作辨认出266Sg进行自发裂变,半衰期只有360毫秒。最近对277Cn和269Hs的研究为265Sg和261Rf的衰变带来了新的信息。结果指出,原先的8.77 MeV活动应该指向265Sg。因此,自发裂变是源自基态的,而8.52 MeV的活动则是源自高旋的K同核异构体的。要证实这一切则仍需要更多的实验。最近重新评估数据后的结论指出,8.52 MeV的活动应该指向265Sg,而266Sg只会进行裂变。
直接合成265Sg的实验产生了4条α线:8.94、8.84、8.76和8.69 MeV,半衰期为7.4秒。对产自277Cn和269Hs衰变的265Sg的观测指出,8.69 MeV的α线可能与半衰期约为20秒的一个同核异构能级有关。这个能级很可能就是混淆指向266Sg或265Sg的原因,因为两者均能够衰变为进行裂变的𬬻同位素。
对数据的重新评估指出,确实存在两种同核异构体。一种的主要衰变能量为8.85 MeV,半衰期为8.9秒;第二种衰变能量为8.70 MeV,半衰期为16.2秒。
成功合成263Sg的反应产生了一条能量为9.06 MeV的α线。[49]在观察271gDs、271mDs和267Hs衰变产生的263Sg之后,研究人员证实了以9.25 MeV的α放射进行衰变的同核异构体。同时9.06 MeV的衰变也被证实了,并指向半衰期为0.3秒的基态。9.25 MeV的活动指向半衰期为0.9秒的同核异构能级。
最近合成271g,mDs的数据当中有关267Hs衰变的结果存在怪异之处。其中一次衰变中,267Hs衰变为263Sg,再进行α衰变,半衰期约为6秒。该活动仍没有确切的同核异构体源头,要得出结论就需要更多的研究。
1999年声称合成293Uuo时,同位素269Sg被辨认为其一衰变产物。它以α放射进行衰变,半衰期为22秒。这次发现在2001年被撤回。[o]该同位素最终于2010年成功被合成。