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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)
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(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))
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
蒸氣壓
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
最穩定同位素
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
282Rg syn 2.1 min α 9.00 278Mt
281Rg syn 26 s SF -
280Rg syn 3.6 s α 9.75 276Mt
279Rg syn 0.17 s α 10.37 275Mt
此處只列出半衰期超過0.1秒的同位素

拼音lún注音ㄌㄨㄣˊ粤拼leon4,音同「伦」;英語:Roentgenium),是一種放射性人工合成化學元素,其化學符號Rg原子序數为111。錀属于超重元素錒系後元素。錀的放射性極強,已知最穩定的錀同位素為錀-282,其半衰期约為2.1分鐘,之后衰變成为第109号元素。第111号元素系过渡金属11族的成员,所以其化学性质预计和等11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。

概述[编辑]

核聚变图示
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
video icon 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]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,两者发生反应的可能性就越大。[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,它们通常会在一起约10−20秒后裂变(产物不需要和反应物相同),而非形成单独的原子核。[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激发态[14],被称为复合原子核英语compound nucleus,非常不稳定。[12]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[15]或是放出一些带走激发能量的中子。如果这些激发能量不足以使中子被放出,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。[15]联合工作团队英语IUPAC/IUPAP Joint Working Party(JWP)定义,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,这个值大约是原子核得到它的外层电子,显示其化学性质所需的时间。[16][c]

粒子束穿过目标后,会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核,它就会被这个粒子束携带。[18]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。[18]这个转移需要10−6秒的时间,意即这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[21]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。[18]

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。[22]超重元素[23]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都必须在同一个地方发生。)[18] 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]

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: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]

Roentgenium, GSI

发现[编辑]

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。[35]

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。[36]GSI的小組在2002年重複實驗,並再檢測到三個原子。[37][38]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。[39]

命名[编辑]

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”,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,是表示古代一种金属元素的古字。2007年03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。[40][41]

同位素與核特性[编辑]

核合成[编辑]

能產生Z=111複核的目標、發射體組合[编辑]

下表列出各種可用以產生111號元素的目標、發射體組合。

目標 發射體 CN 結果
208Pb 65Cu 273Rg 反應成功
209Bi 64Ni 273Rg 反應成功
232Th 45Sc 277Rg 尚未嘗試
231Pa 48Ca 279Rg 尚未嘗試
238U 41K 280Rg 尚未嘗試
237Np 40Ar 277Rg 尚未嘗試
244Pu 37Cl 281Rg 尚未嘗試
243Am 36S 279Rg 尚未嘗試
248Cm 31P 279Rg 尚未嘗試
250Cm 31P 281Rg 尚未嘗試
249Bk 30Si 279Rg 尚未嘗試
251Cf 27Al 278Rg 尚未嘗試

冷聚變[编辑]

209Bi(64Ni,xn)273−xRg (x=1)[编辑]

位於俄羅斯杜布納的團隊在1986年使用這種冷核聚變反應進行了第一次合成錀的實驗。實驗並沒有產生可辨認為錀的原子核,截面限制在4 pb。其後GSI的團隊使用改進了的設施進行實驗,成功發現3顆272Rg原子;另於2000年再合成3顆原子。日本理化學研究所在2003年測定14個272Rg原子的衰變1n激發能,證實了錀的發現。[42]

208Pb(65Cu,xn)273−xRg (x=1)[编辑]

2004年,美國勞倫斯伯克利國家實驗室在利用原子序為奇數的發射體進行該冷聚變反應時,檢測到272Rg的單個原子。[43][44]

作為衰變產物[编辑]

科學家也曾在更重元素的衰變產物中觀察到錀的同位素。

蒸發殘留 觀測到的錀同位素
294Ts 282Rg[45]
293Ts 281Rg[45]
288Mc 280Rg[46]
287Mc 279Rg[46]
282Nh 278Rg[47]
278Nh 274Rg[47]

同位素發現時序[编辑]

同位素 發現年份 核反應
272Rg 1994年 209Bi(64Ni,n)
273Rg 未知
274Rg 2004年 209Bi(70Zn,n) [47]
275Rg 未知
276Rg 未知
277Rg 未知
278Rg 2006年 237Np(48Ca,3n) [47]
279Rg 2003年 243Am(48Ca,4n) [46]
280Rg 2003年 243Am(48Ca,3n) [46]
281Rg 2009年 249Bk(48Ca,4n)
282Rg 2009年 249Bk(48Ca,3n)

核異構體[编辑]

274Rg[编辑]

科學家在源自278Nh的衰變鏈中觀測到274Rg的兩個原子。這兩個衰變事件的數據有所出入,而且兩條衰變鏈似乎有所不同。這表明274Rg存在同核異構體,但需要進一步研究。

272Rg[编辑]

直接合成272Rg時,該同位素發射出4顆α粒子,其能量分別為11.37、11.03、10.82和10.40 MeV。GSI所測得的272Rg半衰期為1.6毫秒,同時從日本理化學研究所得到的數據顯示半衰期約3.8毫秒。衝突的數據可能是由於存在同核異構體,但目前的數據不足以作出任何結論。

同位素產量[编辑]

下表列出直接合成錀的聚變核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
64Ni 209Bi 273Rg 3.5 pb, 12.5 MeV
65Cu 208Pb 273Rg 1.7 pb, 13.2 MeV

化學屬性[编辑]

電子結構(相對論)[编辑]

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。[48]

推算的化學屬性[编辑]

氧化態[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

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[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[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](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)高质量同位素和高质量的核素。
  2. ^ 2009年,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[9]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。[10]
  3. ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[17]
  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。[19]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。[20]
  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。[24]
  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。[25]2018年,LBNL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]
  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。[28]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。[29]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。[17]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。[29]
  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。[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。[31]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。[31] 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[32]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)。[33]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。[33]但由于其广泛使用,“nobelium”这个名称仍然保持不变。[34]

參考資料[编辑]

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  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Haire, Richard G. Transactinides and the future elements. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (编). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 1-4020-3555-1. 
  3. ^ Östlin, A.; Vitos, L. First-principles calculation of the structural stability of 6d transition metals. Physical Review B. 2011, 84 (11). Bibcode:2011PhRvB..84k3104O. doi:10.1103/PhysRevB.84.113104. 
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外部連結[编辑]