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锎   98Cf
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(Uqo)
外觀
銀白色
一小塊圓碟形的鉲元素
概況
名稱·符號·序數 锎(Californium)·Cf·98
元素類別 錒系元素
·週期· 不適用·7·f
標準原子質量 (251) [1]
電子排布

[Rn] 5f10 7s2 [2]
2, 8, 18, 32, 28, 8, 2

锎的电子層(2, 8, 18, 32, 28, 8, 2)
歷史
發現 勞倫斯伯克利國家實驗室(1950年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
15.1[1] g·cm−3
熔點 1173 K900 [1] °C,1652 °F
沸點 (估值)1743[3] K,1470 °C,2678 °F
蒸汽壓
原子性質
氧化態 2, 3, 4 [4]
電負性 1.3 [5](鲍林标度)
電離能 第一:608 [6] kJ·mol−1
雜項
晶體結構

六方

锎具有六方晶體結構
莫氏硬度 3–4[7]
CAS號 [1] 7440-71-3 [1]
最穩定同位素

主条目:锎的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
248Cf syn 333.5 d α(100%) 6.369 244Cm
SF(2.9×10−3%) 0.0029
249Cf 痕量 351 y α(100%) 6.295 245Cm
SF(5.0×10−7%) 4.4×10−7
250Cf 痕量 13.08 y α(99.92%) 6.129 246Cm
SF(0.08%) 0.077
251Cf 痕量 898 y α 6.172 247Cm
252Cf 痕量 2.645 y α(96.91%) 6.217 248Cm
SF(3.09%)
253Cf 痕量 17.81 d β(99.69%) 0.29 253Es
α(0.31%) 6.126 249Cm
254Cf syn 60.5 d SF(99.69%)
α(0.31%) 5.930 250Cm
同位素參考資料:[8][9]

英语Californium,港台译作“”)是一種放射性金屬元素,符號為Cf原子序為98。鉲屬於錒系元素,是第六個被人工合成出來的超鈾元素。鉲是產量能以肉眼可見的元素中原子量第二高的(最高的是),也是自然界能自行產生的元素中質量最高的,所有比鉲更重的元素皆必須通過人工合成才能產生。伯克利加州大學於1950年以α粒子氦-4離子)撞擊,首次人工合成鉲元素,因此該元素是以美國加利福尼亞州加州大學命名的。

鉲擁有三種晶體結構,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個鉲的同位素中,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俄羅斯核反應器研究所合成。由於大部分鉲同位素的半衰期都很短,所以地殼中不存在大量的鉲元素。[注 1]

鉲是少數具有實際用途的超鈾元素之一,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中子譜學中對材料進行研究。但在處理鉲的時候,也因此必須考慮到放射性的問題。另外,人們也能以鈣-48離子撞擊鉲-249合成更重的元素:Uuo(第118號元素)。當鉲累積在動物的骨骼組織時,將破壞紅血球的形成,也就是造血功能。

特性[编辑]

物理特性[编辑]

鉲是一種銀白色的錒系金屬[10]熔點為900 ± 30 °C,估計的沸點為1470 °C。[11]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[12]。在51 K(−220 °C)以下的鉲金屬具鐵磁性亞鐵磁性,在48至66 K時具反鐵磁性,而在160 K(−110 °C)以上時具順磁性[13]。它與鑭系元素能夠形成合金,但人們對其所知甚少[12]

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)[注 2],此時密度為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[15]。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。[16][注 3]

物質的體積模量指的是該物質抗衡均勻壓力的強度。鉲的體積模量為50 ± 5 GPa,這與三價的鑭系金屬相似,但比一些常見的金屬低(如:70 GPa)。[16]

化學特性及化合物[编辑]

鉲的某些化合物[10][注 4]
氧化態 化合物 公式 顔色
+2 二溴化鉲 CfBr2 黃色
+2 二碘化鉲 CfI2 深紫色
+3 三氧化二鉲 Cf2O3 黃綠色
+3 三氟化鉲 CfF3 鮮綠色
+3 三氯化鉲 CfCl3 翠綠色
+3 三碘化鉲 CfI3 檸檬色
+4 二氧化鉲 CfO2 棕黑色
+4 四氟化鉲 CfF4 綠色

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[15]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[18][19]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。[15]鉲可以和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。[15]

水溶時處於鉲(III)正離子狀態。科學家未能還原或氧化溶液中的+3離子。[19]鉲能夠形成能溶於水的氯化物硝酸鹽高氯酸鹽硫酸鹽,沉澱後形成氟化物草酸鹽氫氧化物[18]

同位素[编辑]

目前已知的鉲同位素共有20個,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)。[9]其餘的同位素半衰期都在一年以下,大部分甚至少於20分鐘。[9]鉲同位素的質量數從237到256不等。[9]

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。[19]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)以及會與其他粒子產生反應(高中子截面),所以其產量只有10%。[20]

鉲-252是個強中子射源,因此其放射性極高,非常危險。[21][22][23]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-248,剩餘的3.1%機率進行自發裂變[9]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]其他大部分的鉲同位素都以α衰變形成鋦的同位素(原子序為96)。[9]

歷史[编辑]

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Stanley G. Thompson英语Stanley Gerald ThompsonKenneth Street, Jr.英语Kenneth Street, Jr.阿伯特·吉奥索格倫·西奧多·西博格伯克利加州大學首次發現了鉲元素。[25]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。[26][27][28]

美國加州伯克利的1.5米直徑迴旋加速器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)。[25]

242
96
Cm
+ 4
2
He
245
98
Cf
+ 1
0
n

此次實驗只產生了大約5千顆鉲原子,[29]半衰期為44分鐘。[25]

該新元素以加州和加州大學命名。這和95至97號元素的命名方式有所不同。第95至97號元素是利用類似於對上的元素之命名方式而命名的。[30][注 5]但是,98號元素以上的(Dysprosium)的意思是「難取得」,所以研究人員決定打破此前的非正式命名常規。[32]

愛達荷國家實驗室英语Idaho National Laboratory通過對目標體進行輻射,首次產生了重量可觀的鉲元素,並於1954年發佈了研究結果。[33]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。[25]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。[10]兩年後的1960年,勞倫斯伯克利國家實驗室的Burris CunninghamJames 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。[34]

1960年代,位於美國田納西州橡樹嶺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。[35]到1995年為止,HFIR的實際鉲年產量為500毫克。[36]在《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。[37]

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。[38][注 6]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。[39][40][注 7]

存量[编辑]

核試驗已將少量的鉲散落在環境當中。

地球上有著極少量的鉲,主要出現在含量很高的鈾礦中。鈾在捕獲中子之後進行β衰變,從而形成鉲。[42][43]在使用鉲進行探礦或醫學治療的設施附近也可以發現鉲。[44]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。[42]

1980年之前大氣層核試驗輻射落塵散落在環境中,其中含有少量的鉲。[42]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254Cf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。[48]

產生[编辑]

鉲可以在核反應爐粒子加速器中產生。[49]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:[50]

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。[50]

、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。[51]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。[52]

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。[49]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。[53]

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。[53]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

應用[编辑]

橡樹嶺國家實驗室建造的50噸重運輸桶,可用於運載最多1克的252Cf。[54]運輸此類高放射性物質必須用到重型容器,以避免可能的意外。[55]

鉲-252作為一種強中子射源,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[15]或在中子活化分析中作為(非來自反應爐的)中子源。[56][注 8]放射治療無效時,子宮頸癌腦癌的治療目前用到了鉲所產生的中子。[15]自從1969年薩瓦那河發電廠向佐治亞理工學院借出119 µg的鉲-252之後,鉲一直被用於教育範疇上。[58]在煤炭、水泥產業中,鉲也被應用在煤元素分析和粒狀物質分析機上。

由於中子能夠穿透物質,所以鉲也可以被用在探測器中,如燃料棒掃描儀,[15]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,[59]以及便攜式金屬探測器等。[60]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[19]以及探測地下水的流動。[61]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%)。[62]到了1994年,大部分的鉲-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。[62]

鉲-251的臨界質量很低(約為5 kg)。[63]人們曾誇大其低臨界質量的可能用途。[注 9]

2006年10月,位於俄羅斯杜布納聯合核研究所的研究人員宣佈成功合成3顆Uuo(118號元素)原子。他們利用-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的薄片。[65][66][67] 其他用到鉲來合成的超鈾元素還包括1961年以原子核撞擊鉲所形成的元素。[68]

安全[编辑]

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。[69]由於放射性極強,在環境中的存量極低,所以鉲在生物體中沒有任何自然的用途。[44]

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。[42]

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。[42]

注释[编辑]

  1. ^ 地球大約在45億年前形成,而在地球中自然放射的中子不足以從較穩定的元素產生出大量的鉲。
  2. ^ 雙層六方密排結構(dhcp)的晶胞由位於同一個六邊形平面上的兩個六邊形密排結構組成,因此dhcp結構的順序為ABACABAC。[14]
  3. ^ 質量較低的三種超鈈元素()要使5f電子離域所需的壓力更低得多。
  4. ^ 其他+3氧化態還包括硫化物及茂金屬[17]具+4態的化合物是強氧化劑,具+2態的則為強還原劑[10]
  5. ^ (Europium)是以發現時所在的大陸(歐洲,Europe)命名的,因此對下的95號元素(Americium)以美洲命名(America);(Gadolinium)是以科學家、工程師約翰·加多林英语Johan Gadolin(Johan Gadolin)命名的,所以96號元素(Curium)以瑪莉·居禮(Marie Curie)和皮埃爾·居禮(Pierre Curie)命名;(Terbium)是以發現地伊特比(Ytterby)命名的,所以97號元素(Berkelium)以發現地伯克利(Berkeley)命名。[31]
  6. ^ 《1974年能源組織改組法》實施後,美國核能管理委員會取代美國原子能協會,並提高了鉲-252的價格。到了1999年,每微克鉲-252的售價為60美元。這價格不包括封裝及運輸的費用。[24]
  7. ^ 1975年的另一篇論文指出,前一年製成的鉲金屬實際上是六方型化合物Cf2O2S及面心立方型化合物CfS。[41]科學家在1976年證實了1974年的實驗結論,並繼續對鉲金屬進行研究。[39]
  8. ^ 由於體積較小,產生的熱量和氣體也較少,所以鉲-252在1990年便已取代了鈈-中子源。[57]
  9. ^ 1961年7月版的《科技新時代》一篇名為「第三次世界大戰的事實與謬論」一文中寫道:「一個由鉲做成的原子彈可以比一個手槍子彈更小。你可以自制一支含六發子彈的手槍,其射出的子彈在接觸目標後能夠釋放10噸TNT炸彈的力量。」[64]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

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書籍[编辑]

外部鏈接[编辑]

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