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鐒

原子序數為103的化學元素
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鐒（拼音：láo，注音：ㄌㄠˊ，粤拼：lou4；英語：Lawrencium），是一種人工合成的化學元素，其化學符號为Lr，原子序數为103，是第11個超鈾元素，也是最後一個錒系元素，有時也算作第七週期首個過渡金屬。鐒是一種極具放射性的金屬元素，其最長壽的同位素鐒-266的半衰期達11小時，不過壽命較短的鐒-260（半衰期2.7分鐘）反而較常使用於化學用途，因為它可以較大規模地生產。如同所有原子序超過100的超鐨元素（transfermium element），鐒無法在核反應爐中通過中子捕獲大量生成，只能在粒子加速器中，以粒子撞擊較輕的元素來合成。由於無法大量生產且所有鐒同位素的半衰期都很短，鐒在基礎科學研究之外沒有任何實際用途。

鐒 103Lr
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）
镥
↑
鐒
↓
(Upp)
锘 ← 鐒 → 𬬻
外觀
银色 (预测)[1]
概況
名稱·符號·序數鐒（Lawrencium）·Lr·103
元素類別錒系金屬
有时候被认为是过渡金属
族·週期·區3 ·7·d
標準原子質量[266]
电子排布[Rn] 5f14 7s2 7p1
2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
鐒的电子層（2, 8, 18, 32, 32, 8, 3）
鐒的电子層（2, 8, 18, 32, 32, 8, 3）
歷史
發現劳伦斯伯克利国家实验室与杜布纳联合原子核研究所（1961–1971年）
物理性質
物態固体(预测)
熔点1900 K，1627 °C，2961 °F（(预测)）
原子性質
氧化态3
电离能第一：478.6 kJ·mol−1

第二：1428.0 kJ·mol−1

第三：2219.1 kJ·mol−1
雜項
晶体结构六方密堆积
(预测)[2]
CAS号22537-19-5
同位素
主条目：鐒的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
266Lr syn 11 h SF -
262Lr syn 3.6 h ε 262No
261Lr syn 44 min SF/ε? -
260Lr syn 2.7 min α 8.04 256Md
259Lr syn 6.2 s 78% α 8.44 255Md
22% SF -
256Lr syn 27 s α 8.62,8.52,8.32... 252Md
255Lr syn 21.5 s α 8.43,8.37 251Md
254Lr syn 13 s 78% α 8.46,8.41 250Md
22% ε 254No

1961年，阿伯特·吉奧索等人在美国加利福尼亚柏克萊的勞倫斯柏克萊國家實驗室中，首次利用硼轰击锎合成出了鐒元素。其名称来自於迴旋加速器的發明人、美国物理学家欧内斯特·劳伦斯[4]。

化學實驗已証實了鐒的特性符合鎦的較重同族元素，具有+3氧化態。因此，它可以被歸類為第7週期的第一個過渡金屬。然而，鐒的價電子組態為s2p，而非其同族元素鈧、釔、鎦的s2d構型。這意味著鐒在元素週期表中的位置可能比預期的更具波動性。

原子序大於鐒的元素稱為超重元素，皆為壽命短暫、放射性極高的人工合成元素。

概述 编辑

此节转录于最重元素概论。 (编辑 | 历史)
参见：超重元素 § 概论
 
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[5]

超重元素[a]的原子核是在两个不同大小[b]的原子核的聚变中产生的。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。[11]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（全部都有正电荷）会因为静电排斥而相互排斥，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。[12]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。[12][13]如果聚变发生了，两个原子核产生的一个原子核会处于被称为複合原子核的激发态。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裂变或是放出一些中子来带走激发能量。[c]这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生，产生更稳定的原子核。[14][d]

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，[e]并转移到会停住原子核的半导体探测器（英语：Semiconductor detector）中。撞击至探測器時的确切位置、能量和到达时间將會被記錄下來。[17]这个转移需要10−6秒的时间，意即这个原子核需要存在这么长的时间才能被检测到。[20]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。[17]

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。[21]超重元素理论预测[22]和已观测到[23]的主要衰变方式，也就是α衰变和自发裂变，都是这种排斥引起的。[f]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。[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]

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。物理学家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，而非由不同的核素引起的。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，并且对观察到的效應没有其他解释，就可能在解释数据时出现错误。[i]

歷史 编辑

1961年在美国加利福尼亚伯克利的劳伦斯放射实验室中，由阿伯特·吉奧索、西克兰（T.Sikkeland）、拉希（A.E.Larsh）等人发现。元素符号为Lw，后来改为Lr。

鑒於國際上对104至107號元素名均存在較大分歧，全國科學技術名詞化學名詞審定委員會根據1997年8月27日IUPAC正式對101至109號元素的重新英文定名，於1998年7月8日重新审定、公佈101至109號元素的中文命名，其中101號至103號元素仍使用原有的中文定名「鍆」（音同「門」）、「鍩」（音同「諾」）、「鐒」（音同「勞」）。[35][36]

同位素 编辑

鐒共有14種已知的同位素，質量數分別為251-262、264和266[37][38][39]，以及一個同核異構體鐒-253m。[37]鐒的同位素全部都具有放射性，半衰期都不及12小時，其中壽命最長的是鐒-266，半衰期約10小時[40]，但化學實驗中通常使用其他較易製得的短壽命同位素（如鐒-256和鐒-260），因為鐒-266只能作為更重、更難合成的𨧀-270的衰變產物生成，於2014年在鿬-294的衰變鏈中首次探測到。[40]首次對鐒的化學研究中使用的同位素是鐒-256（半衰期27秒），現在則大多使用壽命較長的鐒-260（半衰期2.7分鐘）。[37]除了以上三種同位素外，其他較長壽的鐒同位素包括鐒-262（半衰期3.6小時）、鐒-264（3小時）、鐒-261（44分鐘）和鐒-255（22秒）[37][41][42]，剩餘同位素的半衰期都小於20秒，其中壽命最短的是鐒-251，半衰期27毫秒。[39][41][42]

制备与提纯 编辑

最轻的（251Lr到254Lr）和最重的（264Lr到266Lr）铹同位素只能由105號元素𬭊的同位素發生α衰变产生，而质量处于中等的同位素（255Lr到262Lr，包括最重要的兩個鐒同位素256Lr和260Lr）都可以通过用轻原子核（从硼到氖）轰击锕系元素（从镅到锿）來製得。256Lr可通过用70MeV的硼-11原子核轰击锎-249所制得（产物为铹-256和四个中子），而260Lr可通过用氧-18原子核轰击锫-249所制得（产物为铹-260、一个α粒子和三个中子）。[43]

由于256Lr和260Lr的半衰期都很短，不容易进行完整的化学提纯，所以早期实验中提纯256Lr都是通过快速溶剂萃取进行的。其中，螯合剂噻吩甲酰三氟丙酮（TTA）溶解在甲基异丁酮（MIBK）中作为有机相，醋酸缓冲溶液作为水相。之后，带有不同电荷（+2、+3或+4）的离子会在不同的pH范围内分别被萃取到有机相中。但这种方法不会分离出三价的锕系元素，所以必须通过256Lr衰变所释放的8.24MeV的α粒子进行识别。[43]最近的方法是通过α-羟基异丁酸（α-HIB）进行快速选择性洗脱，以在充分的时间内分离出寿命较长的260Lr，该同位素可以用0.05M盐酸从捕集器中除去。[43]

注释 编辑

  1. ^ 在核物理学中，如果一个元素有高原子序，就可以被称为重元素，例如82号元素铅。“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[6]或112。[7]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。）[8]
  2. ^ 2009年，由尤里·奥加涅相引领的团队发表了他们通过对称的136Xe + 136Xe反应，尝试合成𬭶的结果。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。[9]作为比较，发现𬭶的反应208Pb + 58Fe的截面为19+19
    -11     pb。[10]
  3. ^ 激发能量越大，复合原子核放出的中子就越多。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。[14]
  4. ^ IUPAC/IUPAP联合工作小组定义原子核只有10−14秒内不衰变，才能被认为化学元素。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，[15]也是复合原子核的寿命上限。[16]
  5. ^ 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，若粒子速度恰好，則電場與磁場对运动粒子的影响会剛好抵消。[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分离，两者结合可以估计原子核的质量。[19]
  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。[24]
  7. ^ 超重元素的原子核的质量通常无法直接测量，所以它是根据另一个原子核的质量间接计算得出的。[25]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，[26]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）。[27]
  8. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的，[28]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。[29]劳伦斯伯克利国家实验室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，102号元素于1957年被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。[30]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、英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[31]第二年，劳伦斯伯克利国家实验室无法重现瑞典的结果，而是宣布他们合成了该元素，但后来也被驳回。[31]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，[32]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）。[33]由于其广泛使用，nobelium这个名称仍然保持不变。[34]

參考資料 编辑

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外部連結 编辑

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