超铀元素

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超铀元素(英語:Transuranium element)在化学上指的是原子序数大於92()的重元素,皆為不穩定的放射性元素,且除了之外都是純人造元素

概述 编辑

原子序数从1到92的元素中,除了之外,都可以在地球上检测到相當的量,它們大多具有穩定或長半衰期的同位素,或者是的普遍衰變產物。锝、钷、砹和钫雖然也存在於自然界中,但僅有痕量的存在。砹和钫只存在於鈾衰變鏈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;而原子序數較小的锝和钷只能由鈾-238自發裂變以及由/分別發生中子俘獲而產生。

原子序数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:,不過皆為以痕量的存在。我們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後紧接着發生β衰变而生成的,例如以下反應:238U + n239U239Np239Pu

超鈾元素可以用核反应堆或者粒子加速器人工合成。原子序≤100(以前)的超鈾元素大多是在核反應爐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,在核试验后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,包括錼、鈽、和鐨。[2]

原子序大於103()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

超鈾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:例如鐒、𨧀的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長。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種,并且把它们归类于“稳定岛”,即质子數或中子數为幻数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(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,武器級的價格約為每克4,000美元[5],而每克的價格超過6,000萬美元。[6]是目前產量能以肉眼所見的最重元素。[7]

超鈾元素列表 编辑

序號 元素 符號 電子在每個能階的排佈
93 Np 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 Pu 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 Am 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 Cm 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 Bk 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 Cf 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 Es 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 Fm 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 Md 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 No 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 Lr 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
104 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 Mt 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2
110 Ds 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2
111 Rg 2, 8, 18, 32, 32, 18, 1
112 Cn 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
113 Nh 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3
114 Fl 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4
115 Mc 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5
116 Lv 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6
117 Ts 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
118 Og 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8

應用 编辑

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、可分裂性等),而不是利用這些元素的物理及化學性質。[8]

鈽-239具有高的熱中子分裂截面,用於製造核武器和用作核反應爐中的核燃料(如快中子增殖反應爐)。

鈽-238-244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,用於許多探測車著陸器等太空探測器。[12]

游離煙霧探測器中使用極微量的-241氧化物作為游離輻射[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]鋂-241還可用作中子[18]γ射線及α粒子射源。[19][20]

-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]、反應爐的啟動中子源英语Startup neutron source[21]中子射線照相英语Neutron imaging[22]燃料棒掃描儀[21]中子活化分析[23]等。

原子序數≥99(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。

粒子加速器中,使用較輕的超鈾元素作為高能帶電粒子撞擊的標靶,可以合成出其他原子序更高的超鈾元素。[24][25]

参见 编辑

参考资料 编辑

  1. ^ Luig, Heribert; Keller, Cornelius; Wolf, Walter; Shani, Jashovam; Miska, Horst; Zyball, Alfred; Gervé, Andreas; Balaban, Alexandru T.; Kellerer, Albrecht M. Radionuclides. 2000. doi:10.1002/14356007.a22_499. 
  2. ^ Fields, P.; Studier, M.; Diamond, H.; Mech, J.; Inghram, M.; Pyle, G.; Stevens, C.; Fried, S.; Manning, W.; et al. Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris. Physical Review. 1956, 102 (1): 180–182. Bibcode:1956PhRv..102..180F. doi:10.1103/PhysRev.102.180. 
  3. ^ Heenen, Paul-Henri; Nazarewicz, Witold. Quest for superheavy nuclei (PDF). Europhysics News. 2002, 33 (1): 5–9. Bibcode:2002ENews..33....5H. doi:10.1051/epn:2002102 . (原始内容存档 (PDF)于20 July 2018). 
  4. ^ Greenwood, Norman N. Recent developments concerning the discovery of elements 100–111 (PDF). Pure and Applied Chemistry. 1997, 69 (1): 179–184. S2CID 98322292. doi:10.1351/pac199769010179. (原始内容存档 (PDF)于21 July 2018). 
  5. ^ Morel, Andrew. Elert, Glenn , 编. Price of Plutonium. The Physics Factbook. 2008. (原始内容存档于20 October 2018). 
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  10. ^ St. Fleur, Nicholas, "The Radioactive Heart of the New Horizons Spacecraft to Pluto" 互联网档案馆存檔,存档日期January 9, 2017,., New York Times, August 7, 2015. The "craft's 125-pound generator [is] called the General Purpose Heat Source-Radioisotope Thermoelectric Generator. [It] was stocked with 24 pounds of plutonium that produced about 240 watts of electricity when it left Earth in 2006, according to Ryan Bechtel, an engineer from the Department of Energy who works on space nuclear power. During the Pluto flyby the battery produced 202 watts, Mr. Bechtel said. The power will continue to decrease as the metal decays, but there is enough of it to command the probe for another 20 years, according to Curt Niebur, a NASA program scientist on the New Horizons mission." Retrieved 2015-08-10.
  11. ^ Mosher, Dave. NASA's Plutonium Problem Could End Deep-Space Exploration. Wired. September 19, 2013 [February 5, 2015]. (原始内容存档于February 8, 2015). 
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  15. ^ Bukowski, R. W. et al. (2007) Performance of Home Smoke Alarms Analysis of the Response of Several Available Technologies in Residential Fire Settings页面存档备份,存于互联网档案馆), NIST Technical Note 1455-1
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  18. ^ Harry H. Binder. Lexikon der chemischen Elemente: das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten : mit 96 Abbildungen und vielen tabellarischen Zusammenstellungen. 1999. ISBN 978-3-7776-0736-8. 
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  21. ^ 21.0 21.1 21.2 O'Neil 2006,第276頁.
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  23. ^ Martin, R. C. Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization (PDF). Spectrum 2000 International Conference on Nuclear and Hazardous Waste Management. Chattanooga, Tennessee. 2000-09-24 [2010-05-02]. (原始内容 (PDF)存档于2010-06-01). 
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  25. ^ Ghiorso, A.; Harvey, B.; Choppin, G.; Thompson, S.; Seaborg, G. New Element Mendelevium, Atomic Number 101. Physical Review. 1955, 98 (5): 1518 [2013-02-24]. Bibcode:1955PhRv...98.1518G. ISBN 978-981-02-1440-1. doi:10.1103/PhysRev.98.1518. (原始内容存档于2021-04-27). 

外部連結 编辑