原子序数为111的化学元素

lún(英語:Roentgenium),是一種人工合成化學元素,其化學符號Rg原子序數为111。錀是一種放射性極強的超重元素錒系後元素,不出現在自然界中,只能在實驗室內以粒子加速器少量合成。所有錀同位素半衰期都很短,非常不穩定,其最重也最長壽的已知同位素为錀-282,其半衰期约為100秒。未經證實的同位素錀-286可能具有更長的半衰期,約為10.7分鐘。[7]目前科學家僅成功合成出很少的錀原子,除了基礎科學研究之外,錀沒有任何實際應用。[8]

錀 111Rg
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)




(Uhu)
外觀
銀白色(預測)[1]
概況
名稱·符號·序數錀(Roentgenium)·Rg·111
元素類別未知
可能為過渡金屬
·週期·11·7·d
標準原子質量[282]
电子排布[Rn] 5f14 6d9 7s2
(預測)[1][2]
2, 8, 18, 32, 32, 17, 2
(預測)
錀的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (預測))
錀的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 17, 2
(預測))
歷史
發現重離子研究中心(1994年)
物理性質
物態固體(預測)[3]
密度(接近室温
28.7(預測)[2] g·cm−3
原子性質
氧化态5, 3, 1, −1(預測)[2]
电离能第一:1022.7(估值)[2] kJ·mol−1

第二:2074.4(估值)[2] kJ·mol−1
第三:3077.9(估值)[2] kJ·mol−1

更多
原子半径114(預測)[2] pm
共价半径121(估值)[4] pm
雜項
CAS号54386-24-2
同位素
主条目:錀的同位素
同位素 丰度 半衰期t1/2 衰變
方式 能量MeV 產物
280Rg 人造 3.9 [5] α 10.147 276Mt
281Rg 人造 11 [5] SF
α 9.28[6] 277Mt
282Rg 人造 130  α 9.01[6] 278Mt

錀是週期表11族的成員,所以其性质预计和等同族金属类似,可能會是銅紅色、銀白色或金黃色等有色彩的固體金属。[8][9]由於錀沒有足夠穩定的同位素,因此目前未能通過化學實驗來驗證其是否具有的更重同族元素的性質。

德國達姆施塔特重離子研究所的研究團隊在1994年首次合成出錀元素。其名稱得自發現X射線的德國物理學家威廉·倫琴,不過錀衰變時並不會放出X射線。

概论

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超重元素的合成

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核聚变反应的图示。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[10]

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,两个原子核的质量之差越大,两者就越有可能发生反应。[16]由较重原子核组成的物质会作為靶子,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。[17]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。[17]

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,它们通常会融為一體约10−20秒,之後再分開(分開後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。[17][18]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。[17]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。[c]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應克服静电排斥力。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。[17]

两个原子核聚变产生的原子核处于非常不稳定,[17]被称为复合原子核英语compound nucleus激发态[20]复合原子核为了达到更稳定的状态,可能会直接裂变[21]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。[21]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。[22][d]

衰变和探测

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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。[24]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,[e]到达半导体探测器英语Semiconductor detector后停止。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[24]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。[27]若衰变發生,衰變的原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。[24]

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。[28]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。[29][30]超重元素理论预测[31]及实际观测到[32]的主要衰变方式,即α衰变自发裂变都是这种排斥引起的。[f]几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子,[34]而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。[32]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。[29][30]

 
基于在杜布纳联合原子核研究所中设置的杜布纳充气反冲分离器,用于产生超重元素的装置方案。在检测器和光束聚焦装置内的轨迹会因为前者的磁偶极英语Magnetic dipole和后者的四极磁体英语Quadrupole magnet而改变。[35]

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。[36]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。[30]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号元素到102号元素下降了23个数量级,[37]从90号元素到100号元素下降了30个数量级。[38]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英语Fission barrier会消失,因此自发裂变会立即发生。[30][39]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。[30][39]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。[40]对较轻的超重核素[41]以及那些更接近稳定岛的核素[37]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。[g]

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。[h]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。[24]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)。[i]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。[j]

嘗試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,確認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。[k]

歷史

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Roentgenium, GSI

发现

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錀是由德国达姆施塔特重离子研究所(GSI)于1994年12月8日,在线性加速器内利用-64轰击-209而合成的。这次实验成功产生了三颗錀-272原子,其迅速衰变成其他元素。[52]

 

IUPAC/IUPAP聯合工作小組(JWP)在2001年時認為沒有足夠證據證明當時確實發現了錀。[53]GSI的小組在2002年重複實驗,並再檢測到三個原子。[54][55]在他們2003年的報告當中,聯合工作小組決定承認GSI團隊對此新元素的發現。[56]

命名

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111號元素在2004年11月1日被命名为Roentgenium(Rg),纪念1895年发现X射线的科学家威廉·倫琴。根據IUPAC元素系統命名法,111號元素原称“Unununium”(Uuu),源自111的拉丁語寫法。

2005年,全国科学技术名词审定委员会提出第111号元素中文定名草案。2006年1月20日下午由全国科学技术名词审定委员会、国家语言文字工作委员会组织召开的第111号元素中文定名研讨会上,确定使用类推简化字“𬬭”(读音同“伦”),对应繁体字“錀”字,是古代表示化學元素的古字。2007年3月21日全国科学技术名词审定委员会公布这一结果,同时也宣布该命名已经得到国家语言文字工作委员会的同意。[57][58]

同位素與核特性

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目前已知的錀同位素共有7個,質量數分別為272、274和278-282,還有兩個已知但未確認的亞穩態,錀-272m和錀-274m。錀的同位素全部都具有極高的放射性半衰期極短,非常不穩定,且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定,其中最長壽的同位素為錀-282,半衰期約100秒,也是目前發現最重的錀同位素。未經證實的同位素錀-283和錀-286可能具有更長的半衰期,分別為5.1分鐘和10.7分鐘。除了錀-282外,其他壽命較長的同位素有錀-280和錀-281,半衰期分別為4.6秒和17秒,剩下4種較輕同位素的半衰期均以毫秒計。[59]大多數錀同位素主要發生α衰變自發裂變,但錀-280也有機率發生電子捕獲[60]

化學屬性

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電子結構(相對論)

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穩定的11族元素都有著nd10(n+1)s1形式的外層電子排布。這些元素的第一激發態原子的外層電子排布為nd9(n+1)s2。由於d軌域電子之間的自旋-軌道作用,這種狀態分為兩個不同的能階。銅基態和最低激發態之間的能量差使銅呈紅棕色。銀的能量差距更大,因此呈銀色。然而,隨著原子序的增加,相對論效應使激發態更加穩定,金的能量差減少,因此再次呈金黃色。有關錀的計算表明,6d97s2能階足夠穩定,應可成為基態,而6d107s1則會是第一激發態。該新的基態與第一激發態間的能量差和銀相似,因此錀預計將呈銀色。[61]

推算的化學屬性

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氧化態

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錀預計將是6d系過渡金屬的第9個成員,屬於週期表中11族(IB)最重的成員,位於銅、銀和金的下面。每個11族元素的穩定氧化態都不同:銅形成穩定的+2態,銀則主要形成銀(I),金則主要形成金(III)。銅(I)和銀(II)比較少見。因此,錀預計主要形成穩定的+3態。由於相對論效應,金也形成-1穩定氧化態,錀可能也這樣做。

化學特性

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該族較重的成員對化學反應惰性都對氧氣惰性,但能與鹵素發生反應。此外,銀亦能與硫化氫發生反應,銀的反應活性明顯比金較高。錀的惰性預計比金更高,將不會與氧和鹵素發生反應。最有可能的反應是與形成氟化物RgF3,与水形成的氢氧化物Rg(OH)3,以及通过氢氧化物制取得Rg2O3

大眾文化

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此元素在動畫節目海綿寶寶」中,名字稱為邪惡元素(Jerktonium),符號為Jt,此元素有111個質子,在節目中可讓比奇堡的生物變邪惡,但是海綿寶寶章魚哥除外,在節目中解藥為一首歌。

注释

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  1. ^ 核物理学中,原子序高的元素可称为重元素,如82号元素。超重元素通常指原子序大于103(也有大于100[11]或112[12]的定义)的元素。有定义认为超重元素等同于锕系后元素,因此认为还未发现的超锕系元素不是超重元素。[13]
  2. ^ 2009年,由尤里·奥加涅相引领的团队发表了他们尝试通过对称的136Xe + 136Xe反应合成𬭶的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子,因此设置截面,即发生核反应的概率的上限为2.5 pb[14]作为比较,发现𬭶的反应208Pb + 58Fe的截面为19+19
    -11
     pb。[15]
  3. ^ 施加到粒子束以加速它的能量也会影响截面。举个例子,在28
    14
    Si
    + 1
    0
    n
    28
    13
    Al
    + 1
    1
    p
    反应中,截面会从12.3 MeV的370 mb变化成18.3 MeV的160 mb,最高值是13.5 MeV的380 mb。[19]
  4. ^ 这个值也是普遍接受的复合原子核寿命上限。[23]
  5. ^ 分离基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标这一点。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。[25]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分离,两者结合可以估计原子核的质量。[26]
  6. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的,β衰变便是弱核力导致的。[33]
  7. ^ 早在1960年代,人们就已经知道原子核的基态在能量和形状上的不同,也知道核子数为幻数时,原子核就会更稳定。然而,当时人们假设超重元素的原子核因为过于畸形,无法形成核子结构。[37]
  8. ^ 超重元素的原子核的质量通常无法直接测量,所以是根据另一个原子核的质量间接计算得出的。[42]2018年,劳伦斯伯克利国家实验室首次直接测量了超重原子核的质量,[43]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)。[44]
  9. ^ 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。[34]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。
  10. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的,[45]而他也是杜布纳联合原子核研究所的科学家,所以自发裂变就成了杜布纳联合原子核研究所经常讨论的课题。[46]劳伦斯伯克利国家实验室的科学家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。[23]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。[45]
  11. ^ 举个例子,1957年,瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所错误鉴定102号元素。[47]早先没有关于该元素发现的明确声明,所以瑞典、美国、英国发现者将其命名为nobelium。后来证明该鉴定是错误的。[48]次年,劳伦斯伯克利国家实验室无法重现瑞典的结果。他们宣布合成了该元素,但后来也被驳回。[48]杜布纳联合原子核研究所坚持认为他们第一个发现该元素,并建议把新元素命名为joliotium,[49]而这个名称也没有被接受(他们后来认为102号元素的命名是仓促的)。[50]由于nobelium这个名称在三十年间已被广泛使用,因此没有更名。[51]

參考資料

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参考书目

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外部連結

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