鿔(拼音:ɡē,注音:ㄍㄜ,粤拼:go1,音同“哥”;英语:Copernicium),是一种人工合成的化学元素,其化学符号为Cn,原子序数为112。鿔是一种放射性极强的超重元素及锕系后元素,所有同位素的半衰期都很短,非常不稳定,其最长寿的已知同位素为285Cn,半衰期为28秒。鿔不出现在自然界中,只能在实验室内以粒子加速器人工合成。截至目前,科学家用不同的核反应共合成出了75个鿔原子。除了基础科学研究之外,鿔没有任何实际应用。
在元素周期表中,鿔位于d区,是第7周期、第12族的成员。鿔和金的化学反应显示,它是一种极易挥发的金属,在标准状况下可能是挥发性液体甚至气体,并似乎具有稀有气体的属性,和同族的汞相似,完全具有12族中的最重元素的应有属性。
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。[17]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。[18]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。[18][19]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[20],被称为复合原子核,非常不稳定。[18]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,[21]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。[21]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。[22][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。[24]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。[24]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。[27]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。[24]
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。[28]超重元素[29]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。)[24] 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]
位于德国达姆施塔特重离子研究所(GSI),由西格·霍夫曼和维克托·尼诺夫领导的研究团队在1996年首次合成出鿔元素。他们在重离子加速器中用高速运行的70锌原子束轰击208铅目标体,获得一颗半衰期仅为0.24毫秒的277Cn原子(另一颗被击散)。制取该元素的核反应方程式为:
2002年重离子研究所重复相同的实验,再次得到一个鿔原子。2004年,日本一家研究机构也合成出了两个鿔原子[41]。
国际纯化学与应用化学联盟(IUPAC)在经过长期验证后,于2009年6月正式承认第112号元素的合成,并随后邀请霍夫曼领导的团队为112号元素提出一个永久名称。2009年7月17日,该团队提议将112号元素命名为Copernicium,缩写Cp,以纪念著名天文学家哥白尼(Copernicus)。他们称,将其命名为Cp的原因,是由哥白尼所提出的日心说与化学中的原子结构(卢瑟福模型)有很多相似之处。
Cp这个名称当时未获得IUPAC的正式承认。IUPAC在此后6个月的时间内进行审议,听取科学界的意见,并于2010年1月公布审议的结果。[42]2009年9月,《自然》杂志上的一篇文章[43]指出符号Cp曾用于镥元素(Lutetium)的旧称(Cassiopeium),现在在配位化学中亦用于指环戊二烯(茂,Cyclopentadiene)配位体。根据目前IUPAC对元素的命名规则,新元素的提议名称是不得与其他元素名称或符号重复的。考虑到上述情况,为了避免歧义,IUPAC已把提议中的符号Cp改为Cn(Copernicium)。[44]
2010年2月19日,德国重离子研究所正式宣布,经国际纯粹与应用化学联合会确认,由该所人工合成的第112号化学元素从即日起获正式名称“Copernicium”,相应的元素符号为“Cn”。[45]
中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会于2012年1月确定了鿔(读音同“哥”)的简体中文名称,获国家语言文字工作委员会批准后进入国家规范用字。[47][48]
目前已知的鿔同位素共有7个,质量数分别为277和281-286,此外鿔-285还有已知但未确认的亚稳态。[49]鿔的同位素全部都具有极高的放射性,半衰期极短,非常不稳定,且较重的同位素大多比较轻的同位素来的稳定,其中最长寿的同位素为鿔-285,半衰期为28秒。除了鿔-285外,其他寿命较长的同位素有鿔-283(半衰期4秒)和未经证实的鿔-285m(15秒)及鿔-286(8.45秒),剩下的同位素半衰期皆短于1秒。大多数鿔同位素主要发生α衰变,有些则会发生自发裂变,此外鿔-283也有几率发生电子捕获。[50]
根据预测,更重的未发现同位素鿔-291和鿔-293可能具有相对极长的半衰期,长达数十年以上,因为理论上它们预计位于稳定岛的中心附近,并且有机会在超新星的R-过程中生成,并在宇宙射线中检测到,尽管它们的含量大约仅为铅的10-12倍。[51]
核聚变反应根据所涉及的能量被分为“热聚变”和“冷聚变”。在热核聚变反应中,高能量的轻离子加速撞向质量高的目标体(多数用锕系元素),从而产生高激发能(约40至50 MeV)的复核,并可能释放3至5个中子。[52]在冷聚变反应中,产生的原子核激发能(约10至20 MeV)相对较低,这降低了发生裂变反应的概率。原子核冷却到基态时,只释放一个或两个中子,因此产物的中子数可较高。[53]此处所说的冷聚变反应有别于在室温条件下发生的核聚变反应(见冷聚变)。[54]
1996年重离子研究所首次进行合成鿔的冷核聚变反应,并报告检测到两个277Cn的衰变链。
2000年,他们撤回了这项发现。在2000年重复进行的反应中,他们又合成了一个鿔原子。他们在2002年试图测量1n激发能时,因70Zn束失败而未能取得结果。日本理化学研究所于2004年证实了277Cn的发现。他们进一步发现了两个277Cn原子,并确认了整个衰变链的衰变数据。
277Cn合成成功后,重离子研究所在1997年使用68Zn进行了反应,以研究同位旋(富含中子)对化学产量的影响。
科学家发现,用62Ni和64Ni离子合成𫟼同位素时能提高产量,因此开启了这项实验。由于没有检测到275Cn的衰变链,所以截面限制在1.2 pb。
(x=3,4)
新合成的283Cn自发裂变成较轻的核素,半衰期约为5分钟。[55]
该产物的半衰期足够长,所以科学家首次开始针对鿔进行化学气态实验。2000年,杜布纳的Yuri Yukashev重复实验,但未能证实任何半衰期为5分钟的自发裂变。2001年重复的实验中,自发裂变产生的八块碎片积累于低温部分,这表明鿔具有类似氡的属性。不过,现在有些科学家高度怀疑这些结果的由来。为了确认鿔的合成,同一个团队在2003年1月成功地重复了反应,证实了衰变模式和半衰期。他们还能够计算出自发裂变活动质量的估值,约为285。这有助证实该同位素的发现。[56]
美国劳伦斯伯克利国家实验室团队在2002年进行反应时无法检测到任何自发裂变,计算的截面限制在1.6 pb。[57]
2003至2004年,杜布纳的团队使用了“杜布纳天然气填充反冲分离器”(DGFRS)重复进行了反应。这一次,283Cn以9.53 MeV进行α衰变,半衰期约为4分钟。研究人员也在4n通道中观察到282Cn(释放出4个中子)。[57]
2003年,德国重离子研究所也参与寻找长度为5分钟的自发裂变活动。和杜布纳团队的结果相似,他们也能够在低温部分探测到七块自发裂变碎片。然而,这些自发裂变事件之间并无关联,因此不是鿔原子核直接自发裂变产生的。这使科学家质疑鿔的化学特性是否真的和氡相似。[58]在杜布纳团队公布283Cn的不同衰变属性后,重离子研究所团队在2004年9月重复进行实验。他们无法检测到任何自发裂变事件,并计算出检测一个事件的截面限制,约为1.6 pb。
2005年5月,重离子研究所进行了物理实验,探测到单个283Cn原子进行了短半衰期的自发裂变,这意味着存在未知的自发裂变分支。[59]然而,杜布纳一开始已观察到数次直接的自发裂变事件,但他们假定没有探测到母核的α衰变。这些结果表明实际并不存在这个母核的α衰变事件。
2006年,保罗谢尔研究所和Flerov核研究实验室联合进行实验,以研究鿔的化学性质。实验证实了283Cn的新衰变数据。他们在287Fl的衰变产物中观测到两个283Cn原子。实验表明,鿔具有12族典型的属性,是化学性质不稳定的金属。
重离子研究所的小组在2007年1月成功地重现了他们的物理实验,并检测到三个283Cn原子,终于确认了283Cn的确是经α衰变和自发裂变的。[60]
长度为5分钟的自发裂变活动至今尚待证实。它可能源自一种同核异构体:283bCn。其产量收到了具体生产方式的影响。
Flerov核研究实验室小组于2004年研究了这个反应。他们无法检测到任何鿔原子,计算的截面限制为0.6 pb。该小组认为,这表明中子质量数会影响复核的蒸发残渣的产量。
科学家也曾在𫓧的衰变产物中观察到鿔。𫓧目前有五种已知的同位素,全都会经α衰变成为鿔原子,质量数介乎281至285。其中质量数281、284和285的鿔同位素迄今只出现在𫓧的衰变产物中。𫓧本身也是𫟷或鿫的衰变产物。至今已知的其他元素都不会衰变成鿔。
于1999年科学家声称合成了293Og,报告指出281Cn以10.68MeV能量进行α衰变,半衰期为0.9毫秒。[66]报告在2001年遭撤回。293Og终于在2010年被合成,其衰变特性不符合此前的数据。
鿔是6d系的最后一个过渡金属,是元素周期表中12族最重的元素,位于锌、镉和汞下面。科学家预测,鿔与其他较轻的12族元素在属性上有显著差异。由于7s电子轨道的稳定加上相对论效应,6d轨道较不稳定性,因此Cn2+离子的电子排布很可能是[Rn]5f146d87s2,这和同族元素是不同的。在水溶液中,鿔很可能形成+2和+4氧化态,后者更稳定。在较轻的12族元素里,+2氧化态是最常见的,而只有汞能呈+4氧化态,但极少见。唯一一个已知的四价汞化合物(四氟化汞,HgF4)也只能在极端条件下存在。[67] 类似的鿔化合物CnF4、CnO2预计将更加稳定。双原子离子Hg2+2中汞具有+1态,但是Cn2+2离子预计将不稳定,甚至不存在。[68]
鿔有基态电子排布为[Rn]5f146d107s2,所以根据构造原理,鿔应该属于周期表的12族。因此,它的属性应表现为汞的较重同系物,可与金等贵金属形成二元化合物。鿔的化学实验主要研究鿔在不同温度下在金箔表面的吸附作用,从而计算出吸附焓值。由于7s轨道电子相对稳定,鿔表现出类似氡的属性。实验同时形成了汞和氡的放射性同位素,这使科学家能够比较这些元素的吸附特性。
最初的化学实验使用了238U(48Ca,3n)283Cn反应。实验检测到目标同位素的自发裂变,半衰期为5分钟。分析数据表明,鿔的挥发性比汞高,并似乎具有稀有气体的属性。然而,由于未能确定283Cn同位素的发现,因此科学家对这些化学实验结果是持着疑问的。2006年4月至5月,Flerov核研究实验室和保罗谢尔研究所的联合团队在联合核研究所进行了𫓧的合成实验:242Pu(48Ca,3n)287Fl,并在衰变产物中对283Cn进行研究。该实验明确探测到两个283Cn原子,并发现鿔和金会产生弱金属-金属键。这意味着鿔是具高挥发性的汞同系物,明确属于12族。
2007年4月,科学家重复进行了这条反应,又合成了三个283Cn原子。该实验证实了鿔的吸附特性,结果表示鿔完全具有12族中的最重元素的应有属性。[4]
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