𬬻（拼音：lú，注音：ㄌㄨˊ，粤拼：lou4；英语：Rutherfordium），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Rf，原子序数为104。𬬻是一种具极高放射性的人工合成元素，不出现在自然界中，只能在实验室内以粒子加速器少量合成。其寿命最长的已知同位素为267Rf，半衰期约为1.3小时。𬬻是为纪念新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福而以他命名的。
在元素周期表中，𬬻是位于d区块的过渡金属，是第一个锕系后元素，也是第一个超重元素。𬬻属于第7周期、4族。人们对𬬻的化学特性了解不全，尽管某些计算指出，由于相对论性效应，它可能会具有和同族元素显著不同的化学属性，但目前化学实验已证实，𬬻是比同族的铪较重的化学同系物，表现出的部分化学性质与其他的4族元素相似。
位于前苏联和美国加州的实验室在1960年代分别制造出少量的𬬻。由于双方发现𬬻的先后次序不清，因此苏联和美国科学家们对其命名产生了争议；直到1997年国际纯化学和应用化学联合会才将𬬻作为该元素的正式名称。
超重元素[a]的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为靶子，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，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（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衰变和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]
尝试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，确认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]
发现
位于杜布纳（当时位于前苏联）的联合核研究所于1964年宣布首次发现𬬻。研究人员以氖-22离子撞击钚-242目标，把产物与四氯化锆（ZrCl4）反应后将其转变为氯化物，再用温度梯度色谱法把𬬻从产物中分离出来。该团队在一种具挥发性的的氯化物中探测到自发裂变事件，该氯化物具有类似于铪的较重同系物的化学属性。其半衰期数值最初并没有被准确量度，但后来的计算则指出，衰变产物最可能为𬬻-259：[35]
命名争议
俄方科学家建议使用Kurchatovium作为该新元素命名，而美方科学家则建议使用Rutherfordium。[38]1992年，IUPAC/IUPAP超镄元素工作组（TWG）评审了发现报告后，认为双方是同时合成了第104号元素的，所以双方应该共同享有这份名誉。[35]
美国的团队其后回复了TWG，并称TWG过分重视杜布纳团队的研究结果。他们也指出，俄方团队曾在过去20年以内多次修改其报告细节，俄方对此没有否认。他们还强调，TWG过于看重俄方团队所进行的化学实验，并指责TWG的委员会成员缺乏足够的资历。TWG随后回应，称已经审视过美方提出的各项意见，并认为没有理由撤回先前有关发现顺序的结论。[39]IUPAC最终使用了美国团队所提出的名称（Rutherfordium），这可能反映了其实际改变了决定。[40]
苏联的团队称其首次探测到该新元素，因此建议将其命名为Kurchatovium（Ku）以纪念伊格尔·库尔恰托夫，其曾经领导过苏联原子弹计划。东方集团国家的教科书都使用Kurchatovium作为该元素的正式命名，而中文则译为“龲”[41]。美国的团队则提议用Rutherfordium（Rf）为新元素的命名，以纪念原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福。
由于国际上对104号、105号元素名称存在较大分歧，1977年8月国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAC）正式宣布100号以后元素停止使用人名命名，而使用临时系统命名，譬如104号元素为Unnilquadium（Unq）（该名称源自数字1、0和4的拉丁文写法）。但由于应用不便，1994年IUPAC无机化学命名委员会又提出仍以人名命名，同时建议使用Dubnium（105号元素的现名，名称源自杜布纳，Dubna）作为104号元素的当时的名称，因为Rutherfordium已被建议作为106号元素的名称，而IUPAC也认为应该承认杜布纳团队对此领域研究的贡献。然而，这时104至107号元素的名称都具有争议。1997年，有关的团队解决了纷争，并于同年8月27日IUPAC正式对101至109号元素重新英文定名，最终采用了现名Rutherfordium，Dubnium一名则成为了105号元素的名称。[40]
根据所用能量的高低，核合成分为“热”和“冷”两类。在热核聚变反应中，低质量、高能的发射体朝着高质量标靶（锕系元素）加速，产生处于高激发能的复核（约40至50 MeV），再裂变或蒸发出3至5颗中子。[44]在冷核聚变反应中，聚变所产生的复核有着低激发能（约10至20 MeV），因此这些产物的裂变可能性较低。复核冷却至基态时，会只射出1到2颗中子，因此产物的含中子量更高。[45]冷核聚变一词在此指的不是在室温下发生的核聚变反应（见冷核聚变）。[46]
热核聚变
于首次研究中，他们探测到两次半衰期分别为0.3秒和8秒的自发裂变事件。前者之后被撤回，而后者则源自𬬻-259同位素。[35]1966年，该团队重复进行了这条反应，并对具挥发性的氯化物产物进行了化学研究。他们辨认出一种挥发性氯化物，其属性与铪的较重化学同系物相似，并以自发裂变快速衰变。这是产生了RfCl4的有力证据。尽管其半衰期没有被准确地测量出来，但是之后的证据指出产物最有可能是𬬻-259。团队在接下来的几年之内多次重复进行实验，并于1971年把该同位素的自发裂变半衰期确定为4.5秒。[35]
1969年，以阿伯特·吉奥索为首，位于加州大学的团队尝试证实杜布纳团队所公布的结果。在一次锔-248和氧-16之间的反应中，他们未能证实杜布纳团队的结果，但却探测到𬬻-260的自发裂变，其半衰期只有10至30 ms：
1970年，美国团队又再次研究了这条反应，但这次使用氧-18作为发射体，并探测到𬬻-261的自发裂变，半衰期长达65秒（之后修正为75秒）。[47][48]之后在加州劳伦斯伯克利国家实验室进行的实验得出一种短半衰期的同核异构体𬬻-262m（其进行自发裂变，半衰期为47 ms）[49]及长半衰期的自发裂变事件，后者不确定地指向𬬻-263。[50]
1996年，劳伦斯伯克利国家实验室在进行钚-244和氖-22的核聚变反应时，观测到了同位素𬬻-262：
研究团队将半衰期确定为2.1秒，而不是先前报告中的47毫秒，这意味着两个半衰期值可能是源自𬬻-262的两种同核异构体的。[51]杜布纳的团队也研究了该反应，并于2000年观测到𬬻-261的α衰变及𬬻-261m的自发裂变。[52]
杜布纳团队于2000年首次公布了使用铀目标体的热核聚变反应：
冷核聚变
1974年，杜布纳的研究人员研究了铅-207和钛-50之间的反应，并产生了𬬻-255。[58]1994年重离子研究所的一项研究使用铅-206同位素，并探测到𬬻-255和𬬻-254。同年转用铅-204后则探测到𬬻-253。[57]
衰变
大部分质量数低于262的𬬻同位素都会出现于原子序更高的元素的衰变产物中，这能够使之前探测的属性有更准确的数值。较重的𬬻同位素只出现在更重元素的衰变产物中。比如，自2004年起，在𫟼-279衰变链中多次观测到有通过α衰变形成𬬻-267的事件[59]：
伯尔尼大学于1999年对𬭊-263同位素的合成进行了研究，并发现了符合通过电子捕获形成𬬻-263的事件。产物中的𬬻被分离出来，期间观测到的有长半衰期（15分钟）的自发裂变事件，以及半衰期大约为10分钟的α衰变。[50]2010年有关𫓧-285衰变链的报告中显示了5个连续的α衰变，在产生𬬻-265之后，再进行自发裂变，半衰期为152秒。[4]
| 同位素 | 半衰期[3] | 衰变方式[3] | 发现年份 | 所用反应 |
|---|---|---|---|---|
| 253Rf | 48 μs | α, SF | 1994年 | 204Pb(50Ti,n)[57] |
| 254Rf | 23 μs | SF | 1994年 | 206Pb(50Ti,2n)[57] |
| 255Rf | 2.3 s | ε?, α, SF | 1974年 | 207Pb(50Ti,2n)[58] |
| 256Rf | 6.4 ms | α, SF | 1974年 | 208Pb(50Ti,2n)[58] |
| 257Rf | 4.7 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[36] |
| 257mRf | 4.1 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[36] |
| 258Rf | 14.7 ms | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,4n)[36] |
| 259Rf | 3.2 s | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[36] |
| 259mRf | 2.5 s | ε | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[36] |
| 260Rf | 21 ms | α, SF | 1969年 | 248Cm(16O,4n)[35] |
| 261Rf | 78 s | α, SF | 1970年 | 248Cm(18O,5n)[47] |
| 261mRf | 4 s | ε, α, SF | 2001年 | 244Pu(22Ne,5n)[67] |
| 262Rf | 2.3 s | α, SF | 1996年 | 244Pu(22Ne,4n)[51] |
| 263Rf | 15 min | α, SF | 1999年 | 263Db(e− ,νe )[50] |
| 263mRf ? | 8 s | α, SF | 1999年 | 263Db(e− ,νe )[50] |
| 264Rf | 1? h | α ? | 未知 | — |
| 265Rf | 2.5 min | SF | 2010年 | 269Sg(—,α)[4] |
| 266Rf | 10 h ? | α, SF ? | 2007年? | 266Db(e− ,νe )?[65] |
| 267Rf | 1.3 h | SF | 2004年 | 271Sg(—,α)[59] |
| 268Rf | 6 h ? | α, SF ? | 2004年? | 268Db(e− ,νe )?[62] |
如同其他高原子序的超重元素，𬬻的所有同位素都具有高度放射性，半衰期很短，非常不稳定。目前已知的同位素共有15种，质量数从253到268不等（264除外），大部分通过自发裂变进行衰变。𬬻的一些同位素已在实验室中成功合成，所用方法有两种：高速撞击两种原子核以产生核聚变，或制造出更高的元素并观测其衰变产物。[3]
半衰期
较轻的𬬻同位素一般具有较短的半衰期：253Rf和254Rf的为50微秒。256Rf、258Rf和260Rf更为稳定，半衰期在10毫秒左右；255Rf、257Rf、259Rf和262Rf的半衰期介乎1至5秒，而261Rf、265Rf和263Rf则较稳定，半衰期分别为1、1.5和10分钟。最重的同位素最为稳定，其中267Rf的约为1.3小时。[3]
低质量的同位素有两种生成方式：两种原子直接经过核聚变产生，或作为更重元素的衰变产物。通过直接核聚变产生的最重的同位素为262Rf，比其质量更高的同位素则只在其他元素的衰变产物中出现，其中已证实的只有267Rf一种。同位素266Rf和268Rf也曾被发现于衰变产物中，半衰期可能分别长达10小时和6小时，但它们是通过系统化研究间接探测的。虽然264Rf仍待发现，但预计半衰期长达1小时。[3]在被发现之前，265Rf曾被预测拥有13小时的长半衰期，[3]但实际只有2.5分钟。[4]
同核异构体
最初有关合成263Rf的研究指出，该核素主要是以自发裂变方式衰变的，半衰期为10至20分钟。近期对𬭶同位素的研究也同时产生了263Rf原子，其半衰期较短，约为8秒。这两种衰变方式意味着存在两种不同的同核异构体，但由于观测到的事件太少，未能确定同核异构体的属性。[50]
化学属性
𬬻是第一个超重元素及锕系后元素，也是第二个6d系过渡金属。对𬬻以及其离子态的电离能、原子半径等属性的计算指出，𬬻与铪相似，但与铅相异。人们依此推断，𬬻的基本属性会和其他的4族元素（钛、锆及铪）相似。[74][50]它的一些属性是通过气态及水溶化学实验而取得的。同族前两个元素的唯一稳定氧化态为+4，因此𬬻也应会有+4氧化态。[74]另外，𬬻也预计会产生较不稳定的+3态。[2]
对𬬻化学属性的计算指出，相对论性效应足以使p轨道的能级比d轨道的要低，价电子排布将为6d1 7s2 7p1或甚至为7s2 7p2，因此与铪相比，铅会和𬬻更为相似。然而通过更准确的计算及对𬬻化合物的化学研究指出，𬬻的属性与4族元素的相符。[74][2]
与锆和铪相似，𬬻预计会形成一种非常稳定的高熔点氧化物RfO2。它会和卤素反应形成四卤化物RfX4，在与水接触后会水解成氧卤化物RfOX2。这些四卤化物都是具挥发性的固体，在呈气态时为单体四面体分子。[74]
在水溶状态时，Rf4+离子的水解程度较Ti4+低，但与锆和铪的相约。𬬻的卤化物与卤素离子混合时，会促进形成络离子。使用氯离子和溴离子时，反应会产生RfCl2−6和RfBr2−6。锆和铪会形成七氟及八氟络合物，因此更大的𬬻离子应该可以形成RfF2−6、RfF2−7和RfF4−8。[74]
物理及原子属性
| 公式 | 名称 |
|---|---|
| RfCl4 | 四氯化𬬻 |
| RfBr4 | 四溴化𬬻 |
| RfOCl2 | 氯氧化𬬻 |
| [RfCl6]2− | 六氯合𬬻(IV)酸阴离子 |
| [RfF6]2− | 六氟合𬬻(IV)酸阴离子 |
| K2[RfCl6] | 六氯合𬬻(IV)酸钾 |
气态
早期对𬬻的化学研究主要集中于使用气态热力色谱法及对相对沉积温度吸附曲线的测量。最早在这一方面的研究是由杜布纳进行的，他们希望以此确认𬬻的发现。这些实验使用了261mRf同位素。实验假设𬬻是第一个6d系元素，因此会形成四氯化物。[74][63][76]四氯化𬬻比四氯化铪（HfCl4）挥发性更高，因为其中的化学键更似共价键。[2]
一系列的实验已经证实，𬬻具有典型的4族元素特性，会形成RfCl4和RfBr4，以及一种氯氧化物RfOCl2。在使用固态而非气态的氯化钾时，所产生的RfCl4的挥发性降低了。这表示产生了不挥发的K2RfCl6混合盐。[74][50][77]
水溶态
至今最具确定性的𬬻水溶化学研究是由日本原子能研究所进行的，使用的为261mRf放射性同位素。实验分别用𬬻、铪、锆及钍在氢氯酸中进行提取，并证实了𬬻不具备锕系元素的特性。在和其同系物对比之下，𬬻能够肯定地归为4族元素。在氯离子溶液中，𬬻会形成六氯化𬬻络离子，这与铪和锆相似。[74][78]
在氢氟酸中的情况类似。𬬻对氟离子的亲和力较弱，并会形成六氟化𬬻络离子，而铪和锆则在同样的氟离子浓度下产生了七氟甚至八氟络离子：[74]
- ^ 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。82号元素铅就是重元素的例子。“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。
- ^ 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]
- ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[17]
- ^ 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]
- ^ 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衰变是弱核力导致的。[24]
- ^ 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]
- ^ 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。
- ^ 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]
- ^ 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]
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