锎 ( kāi ) (英語:Californium ,香港译鐦 ,台湾译鉲 ( kǎ ) ),是一種人工合成 的化學元素 ,其化學符號 为Cf ,原子序數 为98。鉲屬於錒系元素 ,是第六種人工合成 的超鈾元素 ,具強放射性 。伯克利加州大學 於1950年以α粒子 撞擊鋦 ,首次人工合成出鉲元素,因此該元素是以美國 加利福尼亞州 (California)及加州大學 命名的。
提示 :此条目页的主题不是
钘 。
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锎 98 Cf 銀白色 名稱·符號 ·序數 锎(Californium)·Cf·98 元素類別 錒系元素 族 ·週期 ·區 不適用 ·7 ·f 標準原子質量 (251) 电子排布 [Rn ] 5f10 7s2 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
锎的电子層(2, 8, 18, 32, 28, 8, 2) 物態 固體 密度 (接近室温 ) 15.1 g ·cm −3 熔点 1,173 K ,900 °C ,1,652 °F 沸點 (估值)1,743[ 3] K ,1,470 °C ,2,678 °F 氧化态 2, 3 , 4 电负性 1.3 (鲍林标度) 电离能 第一:608 kJ·mol−1 锎的原子谱线 晶体结构 六方 莫氏硬度 3–4 CAS号 7440-71-3 主条目:锎的同位素
同位素
丰度
半衰期 (t 1/2 )
衰變
方式
能量 (MeV )
產物
249 Cf
人造
351 年
α
6.293
245 Cm
SF
–
–
250 Cf
人造
13.08 年
α
6.129
246 Cm
SF
–
–
251 Cf
人造
898 年
α
6.177
247 Cm
252 Cf
人造
2.645 年
α
6.217
248 Cm
SF
–
–
253 Cf
人造
17.81 天
β−
0.291
253 Es
α
6.126
249 Cm
254 Cf
人造
60.5 天
SF
–
–
α
5.927
250 Cm
关闭
鉲的外觀為銀白色金屬 ,擁有三種晶體結構 ,分別存在於正常氣壓900 °C以下、正常氣壓900 °C以上與高壓下(48 GPa )。在室溫下,鉲金屬塊會在空氣中緩慢地失去光澤。鉲的化合物主要由能夠形成3個化學鍵 的鉲(III)形成。目前已知的20種鉲的同位素 中,鉲-251是最為穩定的,其半衰期 為898年,而鉲-252是最常被使用的同位素,半衰期約為2.64年,該同位素主要在美國的橡樹嶺國家實驗室 及俄羅斯 的核反應器研究所 (俄語:Научно-исследовательский институт атомных реакторов)合成。
鉲是少數具有實際用途的超鈾元素之一,也是最後一種除了科學研究外有實際應用的元素,所有原子序高於鉲的元素由於半衰期普遍較短,且生產難度大得多,產量也十分稀少,而都沒有實際的用途。利用某些鉲同位素是強中子射源 的特性,鉲能夠用於啟動核反應爐 ,還可以使用在中子衍射技術 和中子譜學 中對材料進行研究。另外,鉲可用来合成质量数 更高的元素,例如118號元素鿫 是以鈣-48 離子撞擊鉲-249合成的。但在處理鉲的時候,也因此必須考慮到放射性 的問題。當鉲累積 在動物的骨骼組織時,將破壞紅血球 的形成,影响造血功能。
首次合成鉲時所用的1.5米直徑迴旋加速器
1950年2月9日前後,物理學家斯坦利·G·湯普森 (Stanley Gerald Thompson)、小肯尼斯·史翠特 、阿伯特·吉奥索 及格倫·西奧多·西博格 在伯克利加州大學 首次發現 了鉲元素。鉲是第六個被發現的超鈾元素 。研究小組在1950年3月17日發佈了該項發現。[ 9] [ 10] [ 11]
美國加州伯克利 的1.5米直徑迴旋加速器 將α粒子 (4 2 He )加速至35 MeV能量,射向一微克大小的鋦-242目標,以此產生了鉲-245(245 98 Cf )和一顆自由中子 ( n )。
242 96 Cm + 4 2 He → 245 98 Cf + 1 0 n
這次實驗只產生了大約5千個鉲原子,這些原子的半衰期為44分鐘。
該新元素以加州和加州大學 命名為Californium。這和95至97號元素的命名方式有所不同:第95至97號錒系元素是利用類似於其上方的鑭系元素 之命名方式而命名的。[ 註 1] 但是位於98號元素之上的鏑 (Dysprosium)名稱原意為「難取得」,所以研究人員決定打破這項非正式的命名規律。不過在期刊物理評論 上公布98號元素的發現時,他們對此有所說明:「我們要指出一點,鏑(Dysprosium)這個名字是由一個希臘字變來的,意思是『很難達到』;而在一個世紀以前,尋找另一種元素的人們(指淘金 者)覺得加州是個難以達到的地方。」[ 16]
海峽兩岸 對此元素的漢字命名均遵從音譯 原則。1951年,中國大陸 《化學命名原則》修訂時新增這一元素,並將其訂名為“鐦”[ 17] ,後《簡化字總表 》將其簡化為“锎”,而非按照類推簡化 原則作“钘”,以防與表示酒器 的“鈃 ”相混淆。台灣 則將其訂名為“鉲”。
愛達荷國家實驗室 通過對鈈 目標體進行輻射,首次產生了重量可觀的鉲元素,並於1954年發佈了研究結果。[ 18] 產生的樣本中能夠觀察到鉲-252的高自發裂變率。1958年,科學家首次對濃縮鉲進行了實驗。在對鈈-239 進行中子輻射連續5年之後,科學家在樣本中發現了從鉲-249到鉲-252的各個同位素。兩年後的1960年,勞倫斯伯克利國家實驗室的伯里斯·坎寧安 (Burris Cunningham)和詹姆斯·沃爾曼 (James Wallman)把鉲置於蒸汽與鹽酸中,第一次製成了鉲的化合物——三氯化鉲、氯氧化鉲 及氧化鉲。[ 20]
1960年代,位於美國田納西州 橡樹嶺 的橡樹嶺國家實驗室 利用其高通率同位素反應爐 (HFIR)產生了少量的鉲。[ 21] 到1995年為止,HFIR的實際鉲年產量為500毫克。在《1958英美共同防禦協約 》下英國 向美國提供的鈈元素曾用於製造鉲。[ 23]
美國原子能協會 在1970年代初起向工業及學術機構銷售鉲-252同位素,每微克價格為10美元[ 24] ,從1970至1990年每年一共售出150微克鉲-252。[ 註 2] Haire和Baybarz於1974年用鑭金屬還原了氧化鉲(III),首次製成數微克重、厚度小於1微米的鉲金屬薄片。[ 27] [ 註 3]
鉲是一種銀白色的錒系 金屬,熔點 為900 ± 30 °C,估計的沸點 為1470 °C。處於純金屬態時,鉲是具延展性的,可以用刀片輕易切開。在真空狀態下的鉲金屬到了300 °C以上時便會氣化。在51 K (−220 °C)以下的鉲金屬具鐵磁性 或亞鐵磁性 ,在48至66 K時具反鐵磁性 ,而在160 K(−110 °C)以上時具順磁性 。它與鑭系元素 能夠形成合金 ,但人們對其所知甚少。
在一個大氣壓力下,鉲有兩種晶體結構 :在900 °C以下為雙層六方密排 結構(稱α型)[ 註 4] ,接近室温時密度為15.10 g/cm3 ;而另一種面心立方 結構(β型)則在900 °C以上出現,密度為8.74 g/cm3 。在48 GPa 的壓力下,鉲的晶體結構會由β型轉變為第三種正交晶系 結構。這是由於鉲原子中的5f電子 在此壓力下會變成離域電子 ,這些自由電子夠參與鍵結的形成。[ 註 5]
鉲的體積模量 為50 ± 5 GPa,[ 註 6] 這與三價的鑭系金屬相似,但比一些常見的金屬低(如鋁 :70 GPa)。
鉲的化合價 可以是4、3或2,也就是說一個鉲原子能夠形成2至4個化學鍵 。其化學屬性預計將會類似於別的三價錒系元素,以及在元素週期表 中位於鉲以上的鏑 。鉲在室溫下會在空氣中緩慢地失去光澤,速度隨著濕度的提高而加快。鉲可以和氫 、氮 和任何氧族元素 加熱進行反應,其中與不含濕氣的氫或與水溶無機酸 反應的速度極快。
鉲只有在處於鉲(III)正離子 狀態才具有水溶性 。科學家目前仍未能還原或氧化 溶液中的+3離子。鉲在形成氯化物 、硝酸鹽 、高氯酸鹽 及硫酸鹽 時易溶於水;形成氟化物 、草酸鹽 或氫氧化物 時則會沉澱。
目前已知的鉲同位素共有20個,質量數 從237到256不等,都是放射性同位素 。其中最穩定的有鉲-251(半衰期 為898年)、鉲-249(351年)、鉲-250(13.08年)及鉲-252(2.645年)。[ 38] 其餘的同位素半衰期都在一年以下,大部份甚至少於20分鐘。[ 38]
鉲-249是在錇-249進行β衰變 後形成的。大部分其他的鉲同位素是在核反應爐 中對錇進行強烈的中子輻射後產生的。雖然鉲-251的半衰期最長,但是由於容易吸收中子(高中子捕獲 率)以及會與其它粒子產生反應(高中子截面 ),所以其產量只有10%。
鉲-252為強中子 放射源,因此它的放射性 極高,非常危險。[ 40] [ 41] [ 42] 鉲-252有96.9%的機率進行α衰變 (損失兩顆質子 和兩顆中子),並形成鋦 -248,剩餘的3.1%機率進行自發裂變 。[ 38] 一微克 (µg)的鉲-252每秒釋放230萬顆中子,平均每次自發裂變釋放3.7顆中子。[ 24] 其他大部份的鉲同位素都以α衰變形成鋦的同位素(原子序 為96)。[ 38]
核試驗已將少量的鉲散落在環境當中。
由於所有鉲同位素的半衰期都在898年以下,遠遠不足以從地球形成 時(數十億年前)存留至今。因此所有的原始 的鉲元素(地球形成時存在的鉲)至今都已衰變殆盡了。
在使用鉲進行探礦或醫學治療的設施附近可以發現痕量的鉲。鉲不易溶於水,但會黏附在泥土上,所以泥土中鉲的濃度可以比泥土粒子周圍的水高出500倍。[ 44]
1980年之前大氣層核試驗 的輻射落塵 散落在環境中,其中含有少量的鉲。[ 44] 從空氣中採得的核爆輻射落塵中曾被發現含有質量數 為249、252、253和254的鉲同位素。[ 45]
科學家曾認為超新星 會產生鉲,因為超新星物質的衰變符合254 Cf的60天半衰期。[ 46] 不過,之後的研究未能探測到鉲譜線,[ 47] 現在人們也一般認為超新星的光變曲線 是符合鎳-56 的特徵的。
含鈾 量極高的礦藏中,重元素經中子捕獲 和β衰變 之後,可能會自然產生痕量的鉲,儘管這一點尚未得到證實。[ 44] 從95號鋂 至100號鐨 的超鈾元素,包括鉲,都曾在位於加彭 奧克洛 的天然核反應爐 中自然產生,但至今已不再形成了。[ 49]
鉲可以在核反應爐 和粒子加速器 中產生。錇-249(249 97 Bk )受中子撞擊(中子捕獲 (n,γ))後立即進行β衰變 (β− ),便會形成鉲-250(250 98 Cf )。反應如下:
249 97 Bk (n,γ)250 97 Bk → 250 98 Cf + β−
鉲-250在受中子撞擊後會產生鉲-251和鉲-252。
對鎇 、鋦和鈈元素進行中子輻射可以製成數毫克的鉲-252和數微克的鉲-249。直到2006年,科學家利用特殊的反應爐對鋦-244至248進行中子輻射,主要產生出鉲-252,另有較少的鉲-249至255。
經過美國核能管理委員會 可以購得微克量的鉲-252作商業用途。世界上僅有兩處生產鉲的設施:位於美國的橡樹嶺國家實驗室以及位於俄羅斯的核反應器研究所。到2003年為止,兩座設施分別每年生產0.25克和0.025克的鉲-252。
設施還生產三個半衰期頗長的鉲同位素,這需要鈾-238 捕獲中子15次,期間不進行核裂變 或α衰變。從鈾-238開始的核反應鏈經過幾個鈈同位素 、鎇同位素 、鋦同位素 、錇同位素 以及鉲-249至253(見圖)。
以中子輻射從鈾-238產生鉲-252的核反應路徑圖
橡樹嶺國家實驗室建造的50噸重運輸桶,可運載最多1克的252 Cf。運輸此類高放射性物質必須用到重型容器以避免意外。[ 56]
鉲是目前在科學研究之外有實際用途的最重元素。鑀 及以上的元素由於半衰期太短,生產難度大,因此只能在實驗室中用於合成更重的元素。
鉲-252為一種強中子射源,有著幾個應用的範疇。每微克的鉲每分鐘能夠產生1.39億顆中子。[ 24] 因此鉲可以被用作核反應爐的中子啟動源 或在中子活化分析 中作為(非來自反應爐的)中子源。[ 57] [ 註 8] 在放射治療 無效時,子宮頸癌 和腦癌 的治療目前用到了鉲所產生的中子。自從1969年薩瓦那河發電廠 (Savannah River Plant )向佐治亞理工學院 借出119 µg的鉲-252之後,鉲一直用於教育。
由於中子能夠穿透物質,所以鉲也可以用在探測器中,如燃料棒 掃描儀,使用中子射線照相術 來探測飛機和武器部件的腐蝕 、問題焊接點、破裂及內部濕氣,以及便攜式金屬探測器等。[ 61] 中子濕度計 利用鉲-252來尋找油井中的水和石油,為金銀礦的實地探測提供中子源 ,以及探測地下水的流動。[ 62] 1982年鉲-252的主要用途按用量比例分別為:反應爐啟動源(48.3%)、燃料棒掃描儀(25.3%)及活化分析(19.4%)。到了1994年,大部份的鉲-252都用於中子射線照相(77.4%),而燃料棒掃描儀(12.1%)和反應爐啟動源(6.9%)則成了次要的應用範圍。
鉲-251的臨界質量 很低(約為5 kg),[ 64] 但人們也曾低估其臨界質量,[ 65] 并誇大其臨界質量較低的特性的潛在用途。[ 註 9]
2006年10月,位於俄羅斯杜布納 的聯合核研究所 研究人員宣佈成功合成3顆Og (118號元素)原子。他們利用鈣 -48撞擊鉲-249,產生了這個目前最重的元素。該次實驗的目標體是一片面積為32 cm2 、含有10 mg鉲-249的鈦 薄片。[ 67] [ 68] [ 69] 其它用到鉲來合成的超鈾元素還包括1961年以硼 原子核撞擊鉲所形成的鐒 元素。[ 70]
如同其他鑭系及錒系元素,鉲在生物體中不發揮任何生物學功用。累積 在骨骼組織裏的鉲會釋放輻射,破壞身體製造紅血球 的能力。由於放射性很強,鉲對生物體有著極高的毒性。
在進食受鉲污染的食物或飲料,或吸入含有鉲的懸浮顆粒之後,鉲就會進入體內。在身體裏,只有0.05%的鉲會進入血液裏,其中的65%會積累在骨骼中,肝臟25%,其餘的主要通過排尿排出身體。骨骼和肝臟中積累的鉲分別會在50年和20年後消失。鉲會首先附在骨骼的表面,之後會慢慢蔓延到骨骼的各個部分。[ 44]
一旦進入體內,鉲會造成很大的損害。另外,鉲-249和鉲-251能釋放伽瑪射線 ,對外表組織造成傷害。鉲所釋放的電離輻射 在骨骼和肝臟中可致癌。[ 44]
王宝瑄:《中国化学物质命名中的汉字探讨》,《中国科技术语》2010年03期,第28页。
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