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超铀元素

二月 11, 2023

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超铀元素在化学上指的是原子序数大於92（铀）的重元素，皆具有放射性，且除了錼和鈽之外都是純人造元素。

概述

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當的量，它們大多具有穩定或長半衰期的同位素，或者是鈾和釷的普遍衰變產物。锝、钷、砹和钫雖然也存在於自然界中，但僅有痕量的存在。砹和钫只存在於鈾衰變鏈和錒衰變鏈的非常小的分支中，不但難以被生成，半衰期也極短，會很快衰變成其他元素；而原子序數較小的锝和钷只能由鈾-238的自發裂變以及由鉬/釹分別發生中子俘獲而產生。

原子序数92以上的超鈾元素由於半衰期較短，從地球誕生至今早已衰變殆盡，且現今自然界中也缺乏形成它們的途徑或機制，因此都是以人工合成的方法產生的，僅有兩個原子序最小的超鈾元素在地球上被發現自然生成：錼和鈽，不過皆為痕量的存在。我們可以在富铀的矿石中检测到它们的痕迹，是铀矿石经过中子俘获後紧接着發生β衰变而生成的，例如以下反應：238U → 239U → 239Np → 239Pu。此外，在核试验后也會生成少量的超鈾元素。

超鈾元素可以用核反应堆或者粒子加速器人工合成。原子序≤100（鐨以前）的超鈾元素大多是在核反應爐中以中子照射母核種靶核來合成的，能夠較大量地生產。至於原子序超過100的超鈾元素只能以粒子加速器加速帶電粒子撞擊重原子核來合成，合成難度高且產量極少。[1]

原子序大於103（鐒）的超鈾元素又稱為超重元素，超重元素的半衰期很短，極為不穩定，只能在人工環境中少量製成，且生成後會快速衰變。目前所發現原子序最大的超重元素是118號的 。

超鈾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：例如鐒、𨧀、鎶和鈇的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長。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種，并且把它们归类于“稳定岛”，即质子數或中子數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。

越重的超鈾元素生產難度越大，成本越高，價格隨原子序數增大而快速上漲。截至2008年，武器級鈽的價格約為每克4,000美元[2]，而每克鉲的價格超過6,000萬美元。[3]鑀是目前產量能以肉眼所見的最重元素。[4]

超鈾元素列表

序號 元素 符號 電子在每個能階的排佈
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 鋦 Cm 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 锫 Bk 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 鐦 Cf 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 鎄 Es 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 鐨 Fm 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 鍆 Md 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 鍩 No 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 鐒 Lr 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
104 鑪 Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2
105 𨧀 Db 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2
106 𨭎 Sg 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2
107 𨨏 Bh 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2
108 𨭆 Hs 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2
109 䥑 Mt 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2
110 鐽 Ds 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2
111 錀 Rg 2, 8, 18, 32, 32, 18, 1
112 鎶 Cn 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
113 鉨 Nh 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3
114 鈇 Fl 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4
115 鏌 Mc 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5
116 鉝 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

應用

超鈾元素在科技領域的應用取決於每個核種的核特性（如衰變方式、半衰期、可分裂性等），而不是利用這些元素的物理及化學性質。[5]

鈽-239具有高的熱中子分裂截面，用於製造核武器和用作核反應爐中的核燃料（如快中子增殖反應爐）。

鈽-238和鋦-244衰變時會放出大量熱能，被用作放射性同位素熱電機的熱源，作為人造衛星、太空探測器及無人燈塔等設施的電源。[6][7][8]

鋦-244是α粒子X射線光譜儀中最常見的α粒子射源，用於許多探測車和著陸器等太空探測器。[9]

一些煙霧探測器中使用極微量的鋂-241氧化物作為游離輻射源[10]，可用來預防火災。這種游離探測器比光學煙霧探測器來得便宜、靈敏度較高，但更容易發生誤報。[11][12][13][14]鋂-241還可用作中子[15]、γ射線及α粒子射源。[16][17]

鉲-252是一種強中子放射源，使用於醫療、科學及工業領域，例如癌症治療[18]、反應爐的啟動中子源（英语：Startup neutron source）[18]、中子射線照相（英语：Neutron imaging）[19]、燃料棒掃描儀[18]及中子活化分析[20]等。

原子序數≥99（鑀以後）的超鈾元素由於半衰期很短，非常不穩定，無法大量生產，因此目前在科學研究之外沒有實際用途。

在粒子加速器中，使用較輕的超鈾元素作為高能帶電粒子撞擊的標靶，可以合成出其他原子序更高的超鈾元素。[21][22]

参见

参考资料

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外部連結

二月 11, 2023
超铀元素, 注意, 本页面含有unihan扩展b区汉字, 𨧀, 有关字符可能會错误显示, 詳见unicode扩展汉字, 在化学上指的是原子序数大於92, 的重元素, 皆具有放射性, 且除了錼和鈽之外都是純人造元素, 目录, 概述, 超鈾元素列表, 應用, 参见, 参考资料, 外部連結概述, 编辑原子序数从1到92的元素中, 除了锝, 砹和钫之外, 都可以在地球上检测到相當的量, 它們大多具有穩定或長半衰期的同位素, 或者是鈾和釷的普遍衰變產物, 砹和钫雖然也存在於自然界中, 但僅有痕量的存在, 砹和钫只存在於鈾衰變. 注意 本页面含有Unihan扩展B区汉字 𨧀 有关字符可能會错误显示 詳见Unicode扩展汉字 超铀元素在化学上指的是原子序数大於92 铀 的重元素 皆具有放射性 且除了錼和鈽之外都是純人造元素 目录 1 概述 2 超鈾元素列表 3 應用 4 参见 5 参考资料 6 外部連結概述 编辑原子序数从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當的量 它們大多具有穩定或長半衰期的同位素 或者是鈾和釷的普遍衰變產物 锝 钷 砹和钫雖然也存在於自然界中 但僅有痕量的存在 砹和钫只存在於鈾衰變鏈和錒衰變鏈的非常小的分支中 不但難以被生成 半衰期也極短 會很快衰變成其他元素 而原子序數較小的锝和钷只能由鈾 238的自發裂變以及由鉬 釹分別發生中子俘獲而產生 原子序数92以上的超鈾元素由於半衰期較短 從地球誕生至今早已衰變殆盡 且現今自然界中也缺乏形成它們的途徑或機制 因此都是以人工合成的方法產生的 僅有兩個原子序最小的超鈾元素在地球上被發現自然生成 錼和鈽 不過皆為痕量的存在 我們可以在富铀的矿石中检测到它们的痕迹 是铀矿石经过中子俘获後紧接着發生b衰变而生成的 例如以下反應 238U 239U 239Np 239Pu 此外 在核试验后也會生成少量的超鈾元素 超鈾元素可以用核反应堆或者粒子加速器人工合成 原子序 100 鐨以前 的超鈾元素大多是在核反應爐中以中子照射母核種靶核來合成的 能夠較大量地生產 至於原子序超過100的超鈾元素只能以粒子加速器加速帶電粒子撞擊重原子核來合成 合成難度高且產量極少 1 原子序大於103 鐒 的超鈾元素又稱為超重元素 超重元素的半衰期很短 極為不穩定 只能在人工環境中少量製成 且生成後會快速衰變 目前所發現原子序最大的超重元素是118號的 超鈾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 例如鐒 𨧀 鎶和鈇的一些同位素的半衰期就比預料中的還要長 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種 并且把它们归类于 稳定岛 即质子數或中子數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 越重的超鈾元素生產難度越大 成本越高 價格隨原子序數增大而快速上漲 截至2008年 武器級鈽的價格約為每克4 000美元 2 而每克鉲的價格超過6 000萬美元 3 鑀是目前產量能以肉眼所見的最重元素 4 超鈾元素列表 编辑序號 元素 符號 電子在每個能階的排佈93 镎 Np 2 8 18 32 22 9 294 钚 Pu 2 8 18 32 24 8 295 镅 Am 2 8 18 32 25 8 296 鋦 Cm 2 8 18 32 25 9 297 锫 Bk 2 8 18 32 27 8 298 鐦 Cf 2 8 18 32 28 8 299 鎄 Es 2 8 18 32 29 8 2100 鐨 Fm 2 8 18 32 30 8 2101 鍆 Md 2 8 18 32 31 8 2102 鍩 No 2 8 18 32 32 8 2103 鐒 Lr 2 8 18 32 32 8 3104 鑪 Rf 2 8 18 32 32 10 2105 𨧀 Db 2 8 18 32 32 11 2106 𨭎 Sg 2 8 18 32 32 12 2107 𨨏 Bh 2 8 18 32 32 13 2108 𨭆 Hs 2 8 18 32 32 14 2109 䥑 Mt 2 8 18 32 32 15 2110 鐽 Ds 2 8 18 32 32 16 2111 錀 Rg 2 8 18 32 32 18 1112 鎶 Cn 2 8 18 32 32 18 2113 鉨 Nh 2 8 18 32 32 18 3114 鈇 Fl 2 8 18 32 32 18 4115 鏌 Mc 2 8 18 32 32 18 5116 鉝 Lv 2 8 18 32 32 18 6117 鿬 Ts 2 8 18 32 32 18 7118 鿫 Og 2 8 18 32 32 18 8應用 编辑超鈾元素在科技領域的應用取決於每個核種的核特性 如衰變方式 半衰期 可分裂性等 而不是利用這些元素的物理及化學性質 5 鈽 239具有高的熱中子分裂截面 用於製造核武器和用作核反應爐中的核燃料 如快中子增殖反應爐 鈽 238和鋦 244衰變時會放出大量熱能 被用作放射性同位素熱電機的熱源 作為人造衛星 太空探測器及無人燈塔等設施的電源 6 7 8 鋦 244是a粒子X射線光譜儀中最常見的a粒子射源 用於許多探測車和著陸器等太空探測器 9 一些煙霧探測器中使用極微量的鋂 241氧化物作為游離輻射源 10 可用來預防火災 這種游離探測器比光學煙霧探測器來得便宜 靈敏度較高 但更容易發生誤報 11 12 13 14 鋂 241還可用作中子 15 g射線及a粒子射源 16 17 鉲 252是一種強中子放射源 使用於醫療 科學及工業領域 例如癌症治療 18 反應爐的啟動中子源 英语 Startup neutron source 18 中子射線照相 英语 Neutron imaging 19 燃料棒掃描儀 18 及中子活化分析 20 等 原子序數 99 鑀以後 的超鈾元素由於半衰期很短 非常不穩定 無法大量生產 因此目前在科學研究之外沒有實際用途 在粒子加速器中 使用較輕的超鈾元素作為高能帶電粒子撞擊的標靶 可以合成出其他原子序更高的超鈾元素 21 22 参见 编辑元素周期表 超重元素 人造元素参考资料 编辑 Luig Heribert Keller Cornelius Wolf Walter Shani Jashovam Miska Horst Zyball Alfred Gerve Andreas Balaban Alexandru T Kellerer Albrecht M Radionuclides 2000 doi 10 1002 14356007 a22 499 Morel Andrew Elert Glenn 编 Price of Plutonium The Physics Factbook 2008 原始内容存档于20 October 2018 Martin Rodger C Kos Steve E Applications and Availability of Californium 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