鿬[4][5][6]（
；拼音：tián，注音：ㄊ丨ㄢˊ，粤拼：tin4，音同“田”；英语：Tennessine），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Ts，原子序数为117，在当前所有已发现的元素中原子序第二高，仅次于118号元素鿫。鿬是一种放射性极强、极为不稳定的超重元素，不存在于自然界中，只能在实验室内以粒子加速器人工合成，其所有同位素的半衰期都极短，最长寿的已知同位素为294Ts，半衰期仅约51毫秒。
2010年，一个美俄联合科学团队在俄罗斯杜布纳联合原子核研究所首次宣布发现鿬。2011年的另一项实验直接生成了鿬的其中一种子同位素，这证实了2010年实验的一部分结果；原先的实验在2012年成功得到重现。2014年，德国亥姆霍兹重离子研究中心也宣布成功重现该实验。2015年，负责检验超重元素合成实验的IUPAC/IUPAP联合工作小组（JWP）确认117号元素已被发现，命名该元素的提议权由美俄联合科学团队取得。鿬的发现晚于118号元素鿫，是截至目前为止最新发现的化学元素。其名称得自美国田纳西州。
超重元素[b]的原子核是在两个不同大小的原子核[c]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。[13]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。[14]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。[14][15]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[16]，被称为复合原子核，非常不稳定。[14]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，[17]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。[17]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。[18][d]
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。[20]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，[e]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。[20]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。[23]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。[20]
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。[24]超重元素[25]的主要衰变方式——α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。[f]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。[g]（衰变链中的所有衰变都必须在同一个地方发生。）[20] 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）。[h]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。[i]
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。[j]
发现前
2004年，位于俄罗斯莫斯科州杜布纳的联合核研究所（JINR）的一个团队提议进行合成117号元素的实验。该实验以钙（原子序20）粒子束轰击锫目标体，从而产生核聚变反应。[37]但是，美国橡树岭国家实验室是世界上唯一能够制成锫的实验室，其团队以产量不足为由未能提供这一元素。[37]俄罗斯团队决定转而用钙轰击锎目标体，尝试合成鿫。[38]
实验需要难以取得的锫元素，有以下的原因。要产生高能离子束，需较轻的同位素。钙-48由20个质子和28个中子组成，是具有多个过剩中子的最轻的稳定（或近稳定）同位素。下一个具有大量过剩中子的同位素为锌-70，其质量比钙高出许多。要与含有20个质子的钙结合成Ts同位素，就需要含有97个质子的锫。[39]俄罗斯研究人员从地球上自然的钙中提取少量的钙-48，以化学方式制成了所需的钙离子束。[40][41]
合成的原子核将具有更高的质量，更加靠近所谓的稳定岛，即理论预测中稳定性特别高的一组超重原子。然而到了2013年，质量足够高的原子核还没有被合成，而已经合成的同位素也比稳定岛同位素具有较低的中子数。[42]
发现
美国团队在2008年重启了制造锫的计划，并与俄罗斯团队建立了合作关系。[37]计划产生了22微克的锫，足以进行合成实验。[44]锫样本经90天冷却后，再经90天的化学纯化过程。[45]这一锫目标体必须及时送往俄罗斯，因为锫-249的半衰期只有330天，即锫的量每330天因衰变而减半。实验必须在目标体运输算起的六个月之内进行，否则会因样本量过小而无法进行。[45]2009年夏，目标体装载在五个铅制容器中，搭乘纽约至莫斯科的航班送达俄罗斯。[45]
俄罗斯海关两次以文件不全为由拒绝了样本的通关，因此样本共五次飞越大西洋，一共花费了几天时间。[45]到达以后，它被送往乌里扬诺夫斯克州季米特洛夫格勒，固定在钛薄片上，然后运往杜布纳，安装在JINR粒子加速器上。这是世界上用于合成超重元素的最强大的粒子加速器。[44]
实验在2009年6月展开，直到2010年1月，弗廖洛夫核反应实验室的科学家在内部宣布成功探测到原子序为117的新元素的放射性衰变：一个奇数－奇数同位素和一个奇数－偶数同位素的共两条衰变链，前者经6次α衰变后自发裂变，后者经3次α衰变后自发裂变。[46]2010年4月9日，团队在《物理评论快报》上刊登了该项发现的正式报告。以上的两条衰变链分别属于294Ts和293Ts同位素，其合成反应分别为：[43]
根据德米特里·门捷列夫对未发现元素的命名方法，117号元素可称为“eka-砹”或“dvi-碘”。1979年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）发布了有关新元素命名的建议，根据这一规则117号元素应称为“Ununseptium”，符号为Uus。[57]在元素被发现并获得正式永久命名之前，都会先以元素系统命名法命名。但科学家一般称之为117号元素、(117)或117。[2]根据IUPAC目前的指引，所有新17族元素的正式命名都要以“-ine”结尾。IUPAC于2016年6月8日建议将此元素命名为Tennessine（Ts），源于橡树岭国家实验室、范德堡大学和田纳西大学所在的田纳西州，此名称于2016年11月28日正式获得认可。[58]
中文名称
2017年1月15日，中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会联合国家语言文字工作委员会组织化学、物理学、语言学界专家召开了113号、115号、117号、118号元素中文定名会，将此元素命名为鿬（读音同“田”）。[5][6]
原子核稳定性及同位素
钚-244是地壳中质量最高的原始元素。对于钚以后的元素，随着原子序的增加，原子核的稳定性迅速下降。所有原子序超过101（钔）的同位素都会进行半衰期不超过一天的放射性衰变，其中𬭊-268除外。原子序超过82（铅）的元素都没有稳定的同位素[60]，且同位素的稳定性随着原子序的增大而逐渐降低。不过，原子序110（𫟼）至114（𫓧）的元素却具有比预测值更高的稳定性。科学家尚未明白这一现象的原因。这一超重元素稳定性增加的现象被称为“稳定岛”，最早是由格伦·西奥多·西博格所提出的。[61]Ts是所有已合成元素中质量第二高的，其放射性半衰期小于1秒，但这仍然比发现报告中的预测值高。[43]杜布纳团队相信，这一元素的成功合成直接证明了稳定岛的存在。[62]
根据计算，295Ts同位素的半衰期为18 ± 7毫秒，而且曾用于合成293Ts和294Ts的锫-钙反应也可以用来合成295Ts。但是这一反应产生295Ts的几率最多只有产生294Ts的七分之一。[63][64][65]利用量子穿隧模型来进行的计算预测，有多个Ts的同位素都能进行半衰期长达40毫秒的α衰变，其中以296Ts最为显著（此项研究到303Ts为止）。[66]另一项利用液滴模型的研究得出了相似的结果，而且还发现，质量比301Ts高的同位素有稳定性增加的趋势。到了335Ts，在不考虑β衰变的情况下，其半衰期甚至超过了宇宙的年龄。[67]
原子及物理性质
鿬属于元素周期表中的17族，位于五个卤素以下（氟、氯、溴、碘和砹）。所有鿬以上的17族元素都具有7个价电子，形成ns2np5价电子排布。对于鿬，这一规律将会持续，价电子排布预计为7s27p5，[2]所以鿬的许多性质都会和卤素相似。但是鿬和卤素之间还有不少显著的差别。其中一个最大的因素是自旋-轨道作用，即电子的运动与自旋之间的相互作用。这一作用在超重元素中特别强，因为它们的电子运动速度比轻元素快得多，速率与光速相当。[68]对于Ts，该作用降低了7s和7p电子能级，这使得这些电子更加稳定。其中两个7p电子的稳定效应比其他4个电子更强。[69]7s电子的稳定效应称为惰性电子对效应，而把7p支壳层拆分为较稳定和较不稳定两个部分的效应则称为支壳层分裂。对于计算化学家来说，这种分裂相当于第二量子数（角量子数）l从1变为1/2和3/2，分别对应于7p支壳层的较稳定和较不稳定部分。[70][k]鿬的价电子排布写法可以表现出这种分裂效应：7s27p21/27p33/2。[2]
鿬的6d电子层也有分裂的现象，形成6d3/2（4个电子）和6d5/2（6个电子）支壳层。这两个支壳层的能量都有所提升，更为接近7s电子层，[69]但科学家并没有预测任何涉及6s电子的化学反应。7p1/2和7p3/2层之间的距离异常高，有9.8 eV。[69]砹的6p支壳层分裂只有3.8 eV，[69]而且其6p1/2化学反应已经非常有限。[71]这些原因都导致鿬的化学性质与位于其上的同族元素不同。
鿬的第一电离能，即从原子移除一颗电子所需的能量，预测为7.7 eV。这比上面的卤素低，延续了周期表的趋势。[2]它的电子亲和能将会是17族中最低的，预测值为2.6或1.8 eV，这同样符合规律。[2]当鿬处于类氢原子状态时（即只含有一颗电子），其电子的运动速度极快，相对论效应使它的质量增加至静止电子的1.9倍。砹的这一数值为1.27，而碘则是1.08。[72]根据相对论定律简单地推算，可间接得出原子半径的收缩。[72]不过，更详细的计算却显示，形成了一个共价键的鿬原子的半径为165 pm，而砹则是147 pm。[73]当移除了7颗外层电子后，鿬才比砹更小：鿬半径变为57 pm，[2]砹则是61 pm。[74]
鿬的熔点和沸点尚未有确切的预测值。早期论文估计，熔点为350至500 °C，沸点在550 °C；[2]另有估计熔点为350至550 °C，沸点为610 °C。[75]这些数值都比砹高，这与周期表趋势相符。之后的一篇论文则预计鿬的沸点为345 °C[76]（砹的沸点估值有309 °C、[77]337 °C[78]和370 °C，[79]但实验值有230 °C[80]和411 °C[74]）。密度预计在7.1和7.3 g·cm−3之间，这将延续卤素密度上升的趋势。[3]
化学性质
17族中位于鿬以上的元素通常会接受一颗电子，以达致稳定的惰性气体电子排布。这种排布中，价电子壳层含有8个电子，形成具有最低能量的八隅体构造。[81]该族元素形成八隅体的能力随着原子序的增加而降低，因此鿬将会是17族中最不易接受一个电子的元素。在Ts预测能够形成的氧化态中，−1态是最不常见的。[2]
两个鿬原子预计会形成Ts–Ts键，与卤素一样形成双原子分子。根据计算，At2分子中的σ键具有很强的反键性质；而Ts预计会持续这一趋势，Ts2分子会有较强的π键性质。[2][82]TsCl分子会以单个π键键合。[82]
除了不稳定的−1态之外，预测鿬还能够形成+5、+3和+1态。其中+1态应该是最为稳定的，因为最外层7p3/2电子的去稳定作用使它形成稳定的半满支壳层排布；[2]砹有着类似的特性。[83]+3态同样因7p3/2电子的去稳定作用而十分重要。[75]根据预测，+5态将非常罕见，因为7p1/2电子具有（反向）稳定作用。[2]计算并没有得出+7态的存在。而且由于7s电子的稳定性很强，所以有科学家认为Ts的价电子核心可能只有5个电子。[84]
最简单的鿬化合物是它的氢化物TsH。这一化合键是由鿬的7p3/2电子和氢的1s电子所形成的。TsH会延续卤素氢化物的趋势，与砹化氢（HAt）相比，其键长更长，离解能也更高。[2]然而在自旋-轨道作用下，TsF分子的离解能也有所提高。这是因为这一键合降低了Ts的电负性，使它与电负性极高的氟所形成的键更似一个离子键。[85]TsF很可能是17族元素的一氟化物中键合最强的一个。[85]
价层电子对互斥理论预测，17族的三氟化物都会具有T形分子结构。所有已知的卤素的三氟化物都有这种分子结构：AX3E2，即三个配位体（X）和两个孤电子对（E）围绕着一个中心原子（A）。如果不考虑相对论效应，TsF3应该会和较轻同系物一样具有弯曲T形分子结构。不过，鿬的7s壳层电子应该不会参与任何化学反应，所以价层电子对互斥理论所预测的是一种三方金字塔形分子结构（AX3E1）。更加细致复杂的理论则显示，这一分子结构并不是TsF3的最佳能量状态。这些理论所预测的是三方平面分子结构（AX3E0）。价层电子对互斥理论有可能无法准确预测超重元素的化合物分子结构。[84]另外，自旋-轨道作用大大加强了TsF3分子的稳定性。这可能是因为，鿬和氟之间电负性的巨大差异造成分子呈现一些离子的性质。[84]
- ^ 17族指周期表的第17栏，即以氟为首的一整列。17族与卤素并不相同：卤素只包括17族中的氟、氯、溴、碘和砹。
- ^ 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[8]或112。[9]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。）[10]（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。[11]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。[12]
- ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[19]
- ^ 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。[21]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。[22]
- ^ 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。[26]
- ^ 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。[27]2018年，LBNL首次直接测量了超重原子核的质量，[28]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）。[29]
- ^ 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。[30]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。[31]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。[19]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。[31]
- ^ 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。[32]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。[33]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。[33] 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，[34]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）。[35]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。[35]但由于其广泛使用，“nobelium”这个名称仍然保持不变。[36]
- ^ 这一量子数所表示的是电子壳层中的字母：0就是s，1就是p，2就是d，如此类推。
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