原子序数为113的化学元素

拼音注音ㄋ丨ˇ粤拼nei5,音同「你」;英語:Nihonium),是一種放射性人工合成化學元素,其化學符號Nh原子序數为113。它具有極高的放射性,該元素最穩定的同位素是鉨-286,其半衰期為10秒。在元素週期表中,鉨是過渡金屬中的P區元素,它是第7期和第13族(硼族)的成員。

鉨   113Nh
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




(Uht)
概況
名稱·符號·序數鉨(Nihonium)·Nh·113
元素類別未知
可能為貧金屬
·週期·13 ·7·p
標準原子質量[286]
电子排布[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p1
(預測[1]
2, 8, 18, 32, 32, 18, 3
(預測)
鉨的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (預測))
歷史
發現日本理化學研究所(2004年)
物理性質
物態固体(預測)[1][2]
密度(接近室温
18(預測)[1] g·cm−3
熔点700 K,430 °C,810(預測)[1][2] °F
沸點1400 K,1100 °C,2000(預測)[1][2] °F
汽化热130(預測)[2] kJ·mol−1
蒸氣壓
原子性質
氧化态1, 2, 3, 5(預測)[1]
电离能第一:704.9(預測)[1] kJ·mol−1
原子半径170(預測)[1] pm
共价半径136(預測)[3] pm
雜項
CAS号54084-70-7
最穩定同位素
主条目:鉨的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
286Nh syn 20 s α 9.63 282Rg
285Nh syn 5.5 s α 9.74, 9.48 281Rg
284Nh syn 0.48 s α 10.00 280Rg
283Nh syn 0.10 s α 10.12 279Rg
282Nh syn 70 ms α 10.63 278Rg
278Nh syn 0.24 ms α 11.68 274Rg

鉨最初由俄羅斯與美國合作在俄羅斯杜布納聯合原子核研究所(Joint Institute for Nuclear Research, JINR)於2003年發現;於2004年日本埼玉縣和光市理化學研究所(理研)科學家團隊也有相關發現。隨後幾年包含美國、德國、瑞典和中國工作的獨立科學家團隊,以及俄羅斯和日本的都認為他們是最初的發現者。2015年,IUPAC / IUPAP聯合工作組確認了該元素,並將該元素的發現和命名權英语Scientific priority分配給理研,因為它判斷他們已經證明他們比JINR團隊更早觀察到113元素。理研團隊在2016年提出了nihonium的名稱,並於同年獲得批准,而這個名字源自「日本」的日語讀音(nihon)。

關於鉨所知甚少,因為它製造產量稀少,至今合成出的只有14個,在幾秒鐘內就會衰變,目前壽命最長為20秒。但一些超重核素壽命異常的長,包括鉨同位素,由穩定島理論解釋。實驗能支持這一理論,隨著中子的加入和島的接近,確認的同位素的半衰期從幾毫秒增加到幾秒。據統計,鉨與其同族元素具有相似的性質。除之外的所有元素都是后過渡金屬,並且預期鉨也是后過渡金屬。它還應顯示出與它們有幾個主要差異;例如,在+1氧化數下,鉨應該比+3態更穩定,就像一樣,但在+1態,鉨應該表現得更像而不是鉈。 2017年的初步實驗表明,元素鉨的揮發性不是很大,它的化學性質大部分尚未開發。

概述编辑

 
核聚变反应的图形描述。两个原子核融合成一个,并发射出一个中子。在这一刻,这个反应和用来创造新元素的反应是相似的,唯一可能的区别是它有时会释放几个中子,或者根本不释放中子。
外部视频链接
  基于澳大利亚国立大学的计算,核聚变未成功的可视化[4]

一个超重元素[a]原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说,两个原子核的质量越不相等,两者发生反应的可能性就越大。[10]由较重原子核组成的物质会做成靶子,它会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,才能核聚变成一个原子核。通常,原子核(全部都有正电荷)会因为静电排斥而相互排斥。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。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。[11]只是靠的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,它们通常会在一起约 10−20秒,然后裂变(产物不需要和反应物相同),而不是形成一个单独的原子核。[11][12]如果聚变发生了,两个原子核产生的一个原子核会处于激发态[13],它被称为复合原子核英语compound nucleus,非常不稳定。[11]为了达到更稳定的状态,这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变[14]或是放出一些带走激发能量的中子。如果中子不足以带走这些激发能量,复合原子核就会放出γ射线。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。[14]联合工作团队英语IUPAC/IUPAP Joint Working Party (JWP) 定义,一个化学元素的原子核只有10−14秒内不进行放射性衰变,才能被识别出来。这个值大约是一个原子核得到它的外层电子,显示其化学性质所需的时间。[15][c]

粒子束穿过目标后,会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了一个新的原子核,它就会被这个粒子束携带。[17]在分离室中,新产生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,[d]并转移到半导体探测器英语Semiconductor detector中,在这里停止原子核。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[17]这个转移需要 10−6秒的时间。也就是说,这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[20]衰变被记录后,这个原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。[17]

原子核的稳定性源自于强核力。然而,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。[21]超重元素[22]的主要衰变方式——α衰变自发裂变都是这种排斥引起的。[e]α衰变由发射出去的α粒子记录,在实际衰变之前很容易确定衰变产物。如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核,则可以很容易地确定反应的原始产物。[f](衰变链中的所有衰变确实彼此相关,因为这些衰变的位置确定的,它们必须在同一个地方。)[17] 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)。[g]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。[h]

因此,旨在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:粒子到达探测器的位置、能量和时间,以及粒子衰变的信息。物理学家分析了这些数据并试图得出结论,它确实是由一种新元素引起的,不可能是由与声称的核素不同的核素引起的。通常,如果提供的数据不足以得出一个新元素确实是被创造出来的结论,并且对观察到的影响没有其他解释,就可能在解释数据时出现错误。[i]

歷史编辑

 
2016年森田浩介召開記者會,宣布Nh(鉨)元素命名成功

發現编辑

2003年8月,科學家在的衰變產物中首次探測到鉨。2004年2月1日,一個由俄羅斯杜布納聯合核研究所美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室聯合組成的研究小組發表了這一項發現。[34][35]

 

2004年7月23日,日本理化學研究所(理研;RIKEN)的森田浩介使用209Bi70Zn之間的冷融合反應,探測到了一個278Nh原子。他們在2004年9月28日發表這項發現。[36]

 

實驗結果在2004年得到證實,中國近代物理研究所探測到的266Bh衰變特性和日本理研所探測到的衰變活動特性相同(詳見𬭛)。

理研小組在2005年4月2日又合成了一個鉨原子,衰變數據與第一次的不同,但這可能是因為產生了穩定的同核異構體。

美俄合作小組對衰變產物268Db進行化學實驗,進一步證實了鉨的發現。鉨的α衰變鏈半衰期與實驗數據相符。[37]

由于日本科学家未充分观察该元素转化为其他元素的情形,因此这一发现因證據不足而未被承認。日本理研於2012年9月26日第三次宣布合成出了113号元素,方法是利用加速器使原子相互碰撞。[38]

2015年12月,IUPACIUPAP宣布承认113号元素,并赋予日本理研优先命名权。[39]

命名编辑

Ununtrium(Uut)是IUPAC所賦予的臨時系統命名。研究科學家通常只稱之為“元素113”(或E113)。

命名提議编辑

杜布納小組的Dmitriev和理研小組的森田浩介分別對命名Uut進行了提議。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)及國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)的聯合工作小組將決定哪一方有權進行命名。2011年,IUPAC審核了兩方曾進行的實驗,認為實驗並未符合“發現元素”的標準。[40]

2015年12月31日,理研取得本元素的命名權,並被IUPAC認為Uut符合「發現元素」標準,這也是首次由亞洲國家取得新元素命名權。本元素原本被預計命名為Japonium[41],符號Jp,跟日本的縮寫一樣,但此命名未被使用,這是因為這個名稱會涉及Jap,一個貶低日本人的詞語,所以日本人拒絕使用此名稱。

以下為曾經提議使用的名稱:

提議名稱 根據
Japonium[42][41] 日本(Japan),小組所處的國家
Nihonium[43] 日本的日語羅馬字拼法之一
Rikenium[42] 理研(RIKEN),小組所處的研究所
Nishinanium[44] 仁科芳雄,日本物理學家
Becquerium 亨利·貝克勒,法國物理學家(此為俄羅斯提議的名字,原本是給110號元素的)

2016年6月8日,IUPAC宣佈計劃根據理化學研究所的建議將113號元素命名為「Nihonium」,符號為Nh。[45]此名稱於2016年11月28日正式獲得認可。[46]

此外,1908年,日本化學家小川正孝日语小川正孝宣佈發現了第43號元素,並將其命名為「Nipponium」(Np),以紀念其本國日本(Nippon)。然而,後來的分析則指出,他所發現的是75號元素,而非43(即)。[47]

中文名称编辑

 
Nihonium的簡體中文命名

此元素剛開始被譯為,因為此元素的命名來源自日本的國家名稱,但是因為此名稱違反以西方讀音作為元素中文名稱的習慣,因此並沒有被採用,而由於這名稱已經給了41號元素,所以有人提議以第二個音節來命名,命名為(類似元素的情況),但是由於中文名稱大多數都使用第一個音節,所以這個提議也沒有被採用。2017年1月15日,中華人民共和國全国科学技术名词审定委员会联合国家语言文字工作委员会组织化学、物理学、语言学界专家召开了113号、115号、117号、118号元素中文定名会,通過了將此元素命名為「鿭」(读音同「你」)的方案。[48][49]

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「鉨」,音同「你」。[50]

「鉨」字已收錄在統一碼漢字基本區中,碼位為U+9268。該字有「絡絲」、「絡絲之具」兩意,並兼為繁體字「niè」、「」的異體字。[51]其對應簡化字「」,已於2018年6月5日正式加入統一碼11.0中,碼位為U+9FED。

同位素與核特性编辑

核合成编辑

能產生Z=113复核的目標、發射體組合编辑

下表列出各種可用以產生113號元素的目標、發射體組合。

目標 發射體 CN 結果
208Pb 71Ga 279Nh 尚未嘗試
209Bi 70Zn 279Nh 反應成功
232Th 51V 283Nh 尚未嘗試
238U 45Sc 283Nh 尚未嘗試
237Np 48Ca 285Nh 反應成功
244Pu 41K 285Nh 尚未嘗試
243Am 40Ar 283Nh 尚未嘗試
248Cm 37Cl 285Nh 尚未嘗試
249Bk 36S 285Nh 尚未嘗試
249Cf 31P 280Nh 尚未嘗試

冷聚變编辑

209Bi(70Zn,xn)279-xNh (x=1)编辑

德國重離子研究所小組在1998年首次嘗試合成鉨,使用了以上的冷聚變反應。在兩次實驗中,他們均沒有發現任何原子,計算出的截面為900 fb[52]他們在2003年重複進行實驗,並將截面下降至400 fb。[52]2003年末,日本理研小組利用充氣反沖核分離器進行了以上反應,截面達到140 fb。2003年12月至2004年8月,他們進行了長度為8個月的離子輻射,並把敏感度提高到51 fb。這時他們探測到一個278Nh原子。[36]在2005年,他們幾次重複實驗,並再發現一個原子。經過計算,兩個原子的截面為有記錄以來最低的31 fb。2006年重複的實驗並未發現更多的原子,因此目前的產量值只有23 fb。

熱聚變编辑

237Np(48Ca,xn)285-xNh (x=3)编辑

2006年6月,美俄合作小組通過237Np和48Ca間的熱聚變反應直接合成了鉨。實驗發現了兩個282Nh原子,截面為900 fb。[53]

作為衰變產物编辑

科學家也曾在的衰變產物中探測到鉨。

同位素發現時序编辑

同位素 發現年份 核反應
278Nh 2004年 209Bi(70Zn,n) [36]
279Nh 未知
280Nh 未知
281Nh 未知
282Nh 2006年 237Np(48Ca,3n)[53]
283Nh 2003年 243Am(48Ca,4n)[34]
284Nh 2003年 243Am(48Ca,3n)[34]
285Nh 2009年 249Bk(48Ca,4n)[54]
286Nh 2009年 249Bk(48Ca,3n)[54]

同位素產量编辑

下表列出直接合成鉨的核聚變反應的截面和激發能量。粗體數據代表從激發函數算出的最大值。+代表觀測到的出口通道。

冷聚變编辑

發射體 目標 CN 1n 2n 3n
70Zn 209Bi 279Nh 23 fb

熱聚變编辑

發射體 目標 CN 3n 4n 5n
48Ca 237Np 285Nh 0.9 pb, 39.1 MeV [53]

理論計算编辑

蒸發殘留物截面编辑

下表列出各種目標-發射體組合,並給出最高的預計產量。

DNS = 雙核系統; σ = 截面

目標 發射體 CN 通道(產物) σmax 模型 參考資料
209Bi 70Zn 279Nh 1n (278113) 30 fb DNS [55]
237Np 48Ca 285Nh 3n (282113) 0.4 pb DNS [56]

化學屬性编辑

推算的化學屬性编辑

氧化態编辑

鉨預計將為7p系第1個元素,並是元素週期表中13 (IIIA)族最重的成員,位於之下。這一族的氧化態為+III,但由於相對論,7s軌域的穩定性會造成惰性電子對效應,因此它只形成穩定的+I態,Nh+/Nh的标准电极电势更高,預測達到 0.6 V,就如惰性的金屬,難以形成稳定的化學鍵,與銠和釕一樣不易發生反應[57]

化學特性编辑

鉨的化學特性能從的特性中推算出來。因此,它應該會形成Nh2O、NhF、NhCl、NhBr和NhI。但如果能達到+III態,鉨則應只能形成Nh2O3和NhF3。7p軌域的自旋-軌道分離可能會使−1態也較穩定,類似於Au(−1)(金化物)。

參見编辑

注释编辑

  1. ^ 核物理学中,如果一个元素有高原子序,就可以被称为重元素。82号元素就是一个重元素的例子。“超重元素”这一词通常指原子序大于103的元素(尽管也有其它的定义,例如原子序大于100[5]或112。[6]有时,这一词和锕系后元素是同义词,将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始。)[7](那个元素的)“超重同位素”和“超重核素”顾名思义——分别是(那个元素的)高质量同位素和有高质量的核素。
  2. ^ 2009年,一个由尤里·奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的 136Xe + 136Xe 反应,尝试合成钅黑的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子,因此对截面设置了上限,即核反应概率的度量为2.5 pb[8]作为比较,发现钅黑的反应 208Pb + 58Fe的截面约为20 pb(进一步来说,为 19+19
    -11
     pb),符合发现者的预测。[9]
  3. ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[16]
  4. ^ 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标。分离器中包含电场和磁场,它们对运动粒子的影响会因粒子的特定速度而被抵消。[18]飞行时间质谱法英语Time-of-flight mass spectrometry和反冲能量的测量也有助于这种分离,两者结合可以估计原子核的质量。[19]
  5. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的。举个例子,β衰变弱核力导致的。[23]
  6. ^ 由于原子核的质量不是直接测量的,而是根据另一个原子核的质量计算得出的,因此这种测量称为间接测量。直接测量也是有可能的,但在大多数情况下,它们仍然无法用于超重原子核。[24]2018年,LBNL首次直接测量了超重原子核的质量,[25]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的(位置有助于确定其轨迹,这与原子核的质荷比有关,因为转移是在有磁铁的情况下完成的)。[26]
  7. ^ 如果在真空中发生衰变,那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒,衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[27]这些计算也适用于实验,但不同之处在于原子核在衰变后不会移动,因为它与探测器相连。
  8. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的。[28]LBL的科学家们认为自发裂变的信息不足以声称合成元素。他们认为对自发裂变的研究还不够充分,无法将其用于识别新元素,因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子,而不是质子或α粒子等带电粒子。[16]因此,他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[28]
  9. ^ 举个例子,1957年,元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定。[29]早先没有关于该元素发现的明确声明,所以由它的瑞典、美国和英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[30]第二年,RL无法重现瑞典的结果,而是宣布他们合成了该元素,这一说法后来也被驳回。[30] JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人,并为新元素建议命名为joliotium[31]而这个名称也没有被接受(JINR后来认为元素102的命名是仓促的)。[32]这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的,该裁决于1992年9月29日签署。[32]但由于其广泛使用,“nobelium”这个名称仍然保持不变。[33]

參考資料编辑

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外部連結编辑