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超铀元素

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在元素周期表中的超铀元素
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 矽（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 𨱏（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
鍅（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 錼（锕系元素） 钸（锕系元素） 鋂（锕系元素） 锔（锕系元素） 鉳（锕系元素） 鉲（锕系元素） 鑀（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
Z > 92 (铀, U)

超铀元素（英语：Transuranium element）在化学上指的是原子序数大于92（铀的原子序数）的重元素。它们都具有放射性不稳定并会衰变成其他元素。除了在自然界中发现痕量的镎和钸之外，地球上没有天然存在的超铀元素，并且它们都是人工合成元素。

概述

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原子序数从1到92的元素中，除了锝、钷、砹和钫之外，都可以在地球上检测到相当的量，它们大多具有稳定或长半衰期的同位素，或者是铀和钍的普遍衰变产物。锝、钷、砹和钫虽然也存在于自然界中，但仅有痕量的存在。砹和钫只存在于铀衰变链和锕衰变链的非常小的分支中，不但难以被生成，半衰期也极短，会很快衰变成其他元素；而原子序数较小的锝和钷只能由铀-238的自发裂变以及由钼/钕分别发生中子俘获而产生。

原子序数92以上的超铀元素由于半衰期较短，从地球诞生至今早已衰变殆尽，且现今自然界中也缺乏形成它们的途径或机制，因此都是以人工合成的方法产生的，仅有两个原子序最小的超铀元素在地球上被发现自然生成：錼和钸，不过皆为以痕量的存在。我们可以在富铀的矿石中检测到它们的痕迹。这些痕迹是铀矿石经过中子俘获后紧接着发生β衰变而生成的，例如以下反应：238U + n → 239U → 239Np → 239Pu。

超铀元素可以用核反应堆或者粒子加速器人工合成。原子序≤100（镄以前）的超铀元素大多是在核反应炉中以中子照射母核种靶核来合成的，能够较大量地生产。至于原子序超过100的超铀元素只能以粒子加速器加速带电粒子撞击重原子核来合成，合成难度高且产量极少。[1]此外，在核试验后也会生成少量的超铀元素，自二战以来的多次核武器试验已将至少八种超铀元素释放到环境中，包括錼、钸、鋂、锔、鉳、鉲、鑀和镄。[2]

原子序大于103（铹）的超铀元素又称为超重元素，超重元素的半衰期很短，极为不稳定，只能在人工环境中少量制成，且生成后会快速衰变，因此难以对其性质进行详细研究。[3][4]目前所发现原子序最大的超重元素是118号的鿫。

超铀元素的半衰期有随着原子序数的增加而缩短的趋势，然而也有例外：例如铹、𬭊、鿔和𫓧的一些同位素的半衰期就比预料中的还要长。格伦·西奥多·西博格预言了在这一系列元素中有更多的反常核种，并且把它们归类于“稳定岛”，即质子数或中子数为幻数的原子核具有特别的稳定性。

超铀元素中未发现的元素及已发现但尚未正式命名的元素，皆使用IUPAC元素系统命名法。超铀元素的命名曾引起很大的争论，104到109号元素命名的争论从1960年代开始一直到1997年才解决（参见超镄元素争议）。

越重的超铀元素生产难度越大，成本越高，价格随原子序数增大而快速上涨。截至2008年，武器级钸的价格约为每克4,000美元[5]，而每克鉲的价格超过6,000万美元。[6]鑀是目前产量能以肉眼所见的最重元素。[7]

超铀元素列表

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序号 元素 符号 电子在每个能阶的排布
93 镎 Np 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 钚 Pu 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 镅 Am 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 锔 Cm 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 锫 Bk 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 锎 Cf 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 锿 Es 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 镄 Fm 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 钔 Md 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 锘 No 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 铹 Lr 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
104 𬬻 Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2
105 𬭊 Db 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2
106 𬭳 Sg 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2
107 𬭛 Bh 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2
108 𬭶 Hs 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2
109 鿏 Mt 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2
110 𫟼 Ds 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2
111 𬬭 Rg 2, 8, 18, 32, 32, 18, 1
112 鿔 Cn 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
113 鿭 Nh 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3
114 𫓧 Fl 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4
115 镆 Mc 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5
116 𫟷 Lv 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6
117 鿬 Ts 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
118 鿫 Og 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8

超重元素

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在元素周期表中的超重元素
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 矽（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 𨱏（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
鍅（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 錼（锕系元素） 钸（锕系元素） 鋂（锕系元素） 锔（锕系元素） 鉳（锕系元素） 鉲（锕系元素） 鑀（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
Z > 103 (铹, Lr)
主条目：超重元素

超重元素（也称为超重原子，通常缩写为 SHE）通常是指从𬬻（原子序数104）开始的锕系后元素 (transactinide elements)。(第一个 6d 元素铹有时也包括在内，但不一定)。这些元素只被人工制造出来，目前没有任何实际用途，因为它们的半衰期很短，从几小时到几毫秒不等，会在很短的时间后衰变，这也使得它们极难被研究。[3][4]

超重原子都是从20世纪后半叶开始被创造出来的，随著科技的进步，21世纪的超重原子也不断被创造出来。它们是透过在粒子加速器中轰击元素而产生的，数量达到原子规模，目前尚未发现大规模产生的方法。[3]

应用

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超铀元素在科技领域的应用取决于每个核种的核特性（如衰变方式、半衰期、可分裂性等），而不是利用这些元素的物理及化学性质。[8]

钸-239具有高的热中子分裂截面，用于制造核武器和用作核反应炉中的核燃料（如快中子增殖反应炉）。

钸-238和锔-244衰变时会放出大量热能，被用作放射性同位素热电机的热源，作为人造卫星、太空探测器及无人灯塔等设施的电源。[9][10][11]

锔-244是α粒子X射线光谱仪中最常见的α粒子射源，用于许多探测车和著陆器等太空探测器。[12]

游离烟雾探测器中使用极微量的鋂-241氧化物作为游离辐射源[13]，可用来预防火灾。这种烟雾探测器比光学烟雾探测器来得便宜、灵敏度较高，但更容易发生误报。[14][15][16][17]鋂-241还可用作中子[18]、γ射线及α粒子射源。[19][20]

鉲-252是一种强中子放射源，使用于医疗、科学及工业领域，例如癌症治疗[21]、反应炉的启动中子源（英语：Startup neutron source）[21]、中子射线照相（英语：Neutron imaging）[22]、燃料棒扫描仪[21]及中子活化分析[23]等。

原子序数≥99（鑀以后）的超铀元素由于半衰期很短，非常不稳定，无法大量生产，因此目前在科学研究之外没有实际用途。

在粒子加速器中，使用较轻的超铀元素作为高能带电粒子撞击的标靶，可以合成出其他原子序更高的超铀元素。[24][25]

参见

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参考资料

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  1. ^ Luig, Heribert; Keller, Cornelius; Wolf, Walter; Shani, Jashovam; Miska, Horst; Zyball, Alfred; Gervé, Andreas; Balaban, Alexandru T.; Kellerer, Albrecht M. Radionuclides. 2000. doi:10.1002/14356007.a22_499. 
  2. ^ Fields, P.; Studier, M.; Diamond, H.; Mech, J.; Inghram, M.; Pyle, G.; Stevens, C.; Fried, S.; Manning, W.; et al. Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris. Physical Review. 1956, 102 (1): 180–182. Bibcode:1956PhRv..102..180F. doi:10.1103/PhysRev.102.180. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Heenen, Paul-Henri; Nazarewicz, Witold. Quest for superheavy nuclei (PDF). Europhysics News. 2002, 33 (1): 5–9. Bibcode:2002ENews..33....5H. doi:10.1051/epn:2002102 可免费查阅. （原始内容存档 (PDF)于20 July 2018）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Greenwood, Norman N. Recent developments concerning the discovery of elements 100–111 (PDF). Pure and Applied Chemistry. 1997, 69 (1): 179–184. S2CID 98322292. doi:10.1351/pac199769010179. （原始内容存档 (PDF)于21 July 2018）. 
  5. ^ Morel, Andrew. Elert, Glenn , 编. Price of Plutonium. The Physics Factbook. 2008. （原始内容存档于20 October 2018）. 
  6. ^ Martin, Rodger C.; Kos, Steve E. Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization (报告). 2001. CiteSeerX 10.1.1.499.1273 可免费查阅. 
  7. ^ Silva, Robert J. Fermium, Mendelevium, Nobelium and Lawrencium. Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (编). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Third. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 978-1-4020-3555-5. 
  8. ^ 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  9. ^ Why the Cassini Mission Cannot Use Solar Arrays (PDF). NASA/JPL. December 6, 1996 [March 21, 2014]. （原始内容 (PDF)存档于February 26, 2015）. 
  10. ^ St. Fleur, Nicholas, "The Radioactive Heart of the New Horizons Spacecraft to Pluto" 互联网档案馆的存档，存档日期January 9, 2017，., New York Times, August 7, 2015. The "craft's 125-pound generator [is] called the General Purpose Heat Source-Radioisotope Thermoelectric Generator. [It] was stocked with 24 pounds of plutonium that produced about 240 watts of electricity when it left Earth in 2006, according to Ryan Bechtel, an engineer from the Department of Energy who works on space nuclear power. During the Pluto flyby the battery produced 202 watts, Mr. Bechtel said. The power will continue to decrease as the metal decays, but there is enough of it to command the probe for another 20 years, according to Curt Niebur, a NASA program scientist on the New Horizons mission." Retrieved 2015-08-10.
  11. ^ Mosher, Dave. NASA's Plutonium Problem Could End Deep-Space Exploration. Wired. September 19, 2013 [February 5, 2015]. （原始内容存档于February 8, 2015）. 
  12. ^ Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T. An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder. Bulletin of the American Astronomical Society. 09/1996, 28: 1062. Bibcode:1996DPS....28.0221R. 
  13. ^ Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002. (Internet Archive), Retrieved 28 November 2010
  14. ^ Residential Smoke Alarm Performance, Thomas Cleary, Building and Fire Research Laboratory, National Institute of Standards and Technology, UL Smoke and Fire Dynamics Seminar. November 2007.
  15. ^ Bukowski, R. W. et al. (2007) Performance of Home Smoke Alarms Analysis of the Response of Several Available Technologies in Residential Fire Settings （页面存档备份，存于互联网档案馆）, NIST Technical Note 1455-1
  16. ^ Smoke detectors and americium-241 fact sheet (PDF). Canadian Nuclear Society. [31 August 2009]. （原始内容 (PDF)存档于2013-05-24）. 
  17. ^ Julie Louise Gerberding. Toxicological Profile For Americium (PDF; 2.1MiB). United States Department of Health and Human Services/Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 2004-04 [29 August 2009]. （原始内容存档 (PDF)于2009-09-06）. 
  18. ^ Harry H. Binder. Lexikon der chemischen Elemente: das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten : mit 96 Abbildungen und vielen tabellarischen Zusammenstellungen. 1999. ISBN 978-3-7776-0736-8. 
  19. ^ Greenwood, p. 1262
  20. ^ Nuclear Data Viewer 2.4 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, NNDC
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 O'Neil 2006，第276页.
  22. ^ Osborne-Lee 1995，第26–27页.
  23. ^ Martin, R. C. Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization (PDF). Spectrum 2000 International Conference on Nuclear and Hazardous Waste Management. Chattanooga, Tennessee. 2000-09-24 [2010-05-02]. （原始内容 (PDF)存档于2010-06-01）. 
  24. ^ Hobart, David E.; Peterson, Joseph R. Berkelium. Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (编). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (PDF) 3 3rd. Dordrecht, the Netherlands: Springer. 2006: 1444–98. doi:10.1007/1-4020-3598-5_10. （原始内容 (PDF)存档于2010-07-17）. 
  25. ^ Ghiorso, A.; Harvey, B.; Choppin, G.; Thompson, S.; Seaborg, G. New Element Mendelevium, Atomic Number 101. Physical Review. 1955, 98 (5): 1518 [2013-02-24]. Bibcode:1955PhRv...98.1518G. ISBN 978-981-02-1440-1. doi:10.1103/PhysRev.98.1518. （原始内容存档于2021-04-27）. 

外部链接

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