𫓧[6][7](拼音:fū,注音:ㄈㄨ,粤拼:fu1,音同“夫”;英语:Flerovium[8][9]),是一种人工合成的化学元素,其化学符号为Fl,原子序数为114。𫓧是一种放射性极强的超重元素,所有同位素的半衰期都很短,非常不稳定。𫓧不出现在自然界中,只能在实验室内以粒子加速器反应生成。科学家至今共观测到约90个𫓧原子,其中58个是直接合成的,其余的则是在更重元素(𫟷和鿫)的衰变产物中发现的。所有衰变都来自285Fl~289Fl,一共5个质量数相邻的𫓧同位素。
在元素周期表中,𫓧是位于p区的锕系后元素,属于第7周期、第14族(碳族),是已知最重的碳族成员。但2007年进行的初步化学实验指出,𫓧具有出乎意料的高挥发性,性质和同族的铅非常不同。[10]在初步实验中,𫓧甚至似乎表现出与稀有气体相似的性质。[11]更近期的实验结果显示,𫓧与金的化学反应与鿔相似,表明𫓧是一种极易挥发的元素,在标准状况下甚至可能是气态的。实验中𫓧也表现出其金属性,显示其为铅的较重化学同系物,且是第14族中反应活性最低的金属。截至2022年,科学家对𫓧的性质到底更像金属还是稀有气体的问题仍未有定论。
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。[18]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。[19]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。[19][20]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[21],被称为复合原子核,非常不稳定。[19]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,[22]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。[22]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。[23][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。[25]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。[25]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。[28]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。[25]
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。[29]超重元素[30]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。)[25] 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]
1998年12月,位于俄罗斯杜布纳联合核研究所(JINR)的科学家使用48Ca离子撞击244Pu目标体,合成一个𫓧原子。该原子以9.67 MeV的能量进行α衰变,半衰期为30秒。该原子其后被确认为289Fl同位素。这项发现在1999年1月公布。[42]然而,之后的实验并未能重现所观测到的衰变链。因此这颗原子的真正身份仍待确认,有可能是稳定的同核异构体289mFl。
1999年3月,同一个团队以242Pu代替244Pu目标体,以合成其他的𫓧同位素。这次,他们成功合成两个𫓧原子,原子以10.29 MeV的能量进行α衰变,半衰期为5.5秒。这两个原子确认为287Fl。[43]其他的实验同样未能重现这次实验的结果,因此真正产生的原子核身份一样不能被确定,但有可能是稳定的同核异构体287mFl。
杜布纳的团队在1999年6月进行实验,成功制成𫓧。这项结果是受到公认的。他们重复进行244Pu的反应,并产生两个𫓧原子,原子以9.82 MeV能量进行α衰变,半衰期为2.6秒。[44]
研究人员一开始把所产生的原子认定为288Fl,但2002年12月进行的研究工作则将结论更改为289Fl。[45]
2009年1月,伯克利团队证实287Fl和286Fl的发现。接着在2009年7月,德国重离子研究所又证实288Fl和289Fl的发现。
2011年6月11日,IUPAC证实𫓧的存在。[47]
Flerovium(Fl)是IUPAC在2012年5月30日正式采用的,以纪念苏联原子物理学家格奥尔基·弗廖罗夫[48]。此前根据IUPAC元素系统命名法所产生的临时名称为Ununquadium(Uuq)[49]。科学家通常称之为“元素114”(或E114)。
2012年6月2日,中华民国国家教育研究院的化学名词审译委员会暂定以鈇作为该元素的中文名称。[6] 2013年7月,中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会通过以𫓧(读音同“夫”)为中文定名。[7][50]
日本理化学研究所的一个团队已表示有计划研究以下的冷聚变反应:
Flerov核反应实验室在未来有计划研究在239Pu和48Ca反应中合成的较轻的𫓧同位素。
也有计划使用不同发射体能量再次用244Pu进行反应,以进一步了解2n通道,从而发现新的同位素290Fl。
目前已知的𫓧同位素共有6个,质量数分别为284-289,此外𫓧-289还有已知但未确认的亚稳态。𫓧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,因为它们更接近稳定岛的中心,其中最长寿的同位素为𫓧-289,半衰期约1.9秒,也是目前发现最重的𫓧同位素。未经证实的同位素𫓧-290可能具有更长的半衰期,为19秒。除了𫓧-289外,其他半衰期较长的同位素还有𫓧-289m(未经证实),半衰期为1.1秒,其余较轻同位素的半衰期都在1秒以下。
下表列出各种可用以产生114号元素的目标、发射体组合。
目标 | 发射体 | CN | 结果 |
---|---|---|---|
208Pb | 76Ge | 284Fl | 至今失败 |
232Th | 54Cr | 286Fl | 尚未尝试 |
238U | 50Ti | 288Fl | 尚未尝试 |
244Pu | 48Ca | 292Fl | 反应成功 |
242Pu | 48Ca | 290Fl | 反应成功 |
239Pu | 48Ca | 287Fl | 尚未尝试 |
248Cm | 40Ar | 288Fl | 尚未尝试 |
249Cf | 36S | 285Fl | 尚未尝试 |
第一次以冷聚变合成𫓧的实验于2003年法国国家大型重离子加速器(GANIL)进行,产量限制为1.2 pb时并没有合成任何原子。
杜布纳的一个团队于1998年11月首次尝试合成𫓧。他们探测到一个源自289Fl的长衰变链。[42]在1999年重复进行的实验再次合成了两个𫓧原子,这次则是288Fl。[44]团队在2002年进一步研究了这项反应。在测量3n、4n和5n中子蒸发激发函数时,他们探测到3个289Fl原子、12个288Fl原子及1个新同位素287Fl原子。根据这些结果,第一个被探测到的原子是290Fl或289mFl,而接着的两个原子是289Fl。[45]2007年4月利用285Cn来研究鿔的化学特性时,科学家再次进行这条反应。瑞士保罗谢勒研究所和Flerov核反应实验室直接探测到两个288Fl原子,这为对𫓧的首次化学研究打下基础。
2008年6月,科学家再用该反应来产生289Fl同位素,以研究𫓧的化学特性。这次发现了一个𫓧原子,这得以确认它的属性类似于稀有气体。
杜布纳的团队首先在1999年3月至4月研究了这项反应,并探测到两个287Fl原子。[43]由于有关283Cn的数据有冲突,所以科学家在2003年9月重复进行了该实验,以确认287Fl和283Cn的衰变数据(详见鿔)。他们通过测量2n、3n和4n激发函数得到了288Fl、287Fl和新同位素286Fl的衰变数据。[52][53]
2006年4月,保罗谢勒研究所和Flerov核反应实验室的合作计划曾使用过这项反应来产生283Cn,以研究鿔的属性。在2007年4月进行的一项确认实验中,团队直接探测到287Fl,并能够取得有关𫓧原子化学特性的最初数据。
2009年1月,伯克利的团队使用伯克利充气分离器(BGS)和新得到的242Pu样本继续进行研究,通过以上反应尝试合成𫓧。2009年9月,他们公布成功探测到2个𫓧原子,分别为287Fl和286Fl,证实了Flerov核反应实验室取得的衰变数据,但是所测量的截面更低。[54]
2009年4月,瑞士和俄罗斯的合作研究计划再次使用以上反应进行了对𫓧化学属性的研究,其中探测到一个283Cn原子。
2010年12月,劳伦斯伯克利国家实验室的团队公布发现了285Fl原子,并观测到5个衰变产物的新同位素。
在1999年发现293Og的报告中,285Fl是以11.35 MeV能量进行α衰变的,半衰期为0.58 ms。发现者于2001年撤回了这项发现。这个同位素最后是在2010年被合成的,其衰变属性和1999年报告中的不符,意味着撤回的数据是错误的。
同位素 | 发现年份 | 核反应 |
---|---|---|
285Fl | 2010年 | 242Pu(48Ca,5n) |
286Fl | 2002年 | 249Cf(48Ca,3n) [56] |
287aFl | 2002年 | 244Pu(48Ca,5n) |
287bFl ?? | 1999年 | 242Pu(48Ca,3n) |
288Fl | 2002年 | 244Pu(48Ca,4n) |
289aFl | 1999年 | 244Pu(48Ca,3n) |
289bFl ? | 1998年 | 244Pu(48Ca,3n) |
2000年至2004年期间Flerov核反应实验室进行了几项研究292Fl复核衰变属性的实验。他们所使用的核反应为244Pu+48Ca。结果显示,这些复核进行裂变时主要发射完整轨道原子核,如82132Sn。另一项发现是,使用48Ca和58Fe作为发射体的聚变裂变路径相似,这表示未来在合成超重元素时有可能使用58Fe发射体。[57]
第一次合成的𫓧同位素为289Fl,它以9.71 MeV的能量进行α衰变,时长为30秒。之后的直接合成实验中并未被观测到这种现象。然而,在一次293Lv的合成实验中,所测得的衰变链释放了9.63 MeV能量的α粒子,时长为2.7秒。之后其他的衰变都与289Fl的相似。这很明确地表明,这些衰变活动都是来自于同核异构体的。近期实验中并未出现类似的活动,表示这种同核异构体的产量约为基态的20%,而第一个实验观测到的现象只是巧合。要解释这个问题,必须进行更多的研究。
使用242Pu作为目标的初次实验中,所观测到的287Fl同位素进行衰变时放射能量为10.29 MeV的α粒子,时常为5.5秒。其衰变产物再进行自发裂变,时常符合先前合成的283Cn。后来科学家再没有观测到同样的衰变活动(详见鿔)。不过,两者的相关性表示实验结果是非随机的,而合成方式是不会影响同核异构体的生成的。这些问题要经过更多研究才能解决。
下表列出直接合成𫓧的聚变核反应的截面和激发能量。粗体数据代表从激发函数算出的最大值。+代表观测到的出口通道。
发射体 | 目标 | CN | 1n | 2n | 3n |
---|---|---|---|---|---|
76Ge | 208Pb | 284Fl | <1.2 pb |
发射体 | 目标 | CN | 2n | 3n | 4n | 5n |
---|---|---|---|---|---|---|
48Ca | 242Pu | 290Fl | 0.5 pb, 32.5 MeV | 3.6 pb, 40.0 MeV | 4.5 pb, 40.0 MeV | <1.4 pb, 45.0 MeV |
48Ca | 244Pu | 292Fl | 1.7 pb, 40.0 MeV | 5.3 pb, 40.0 MeV | 1.1 pb, 52.0 MeV |
下表列出各种目标-发射体组合,并给出最高的预计产量。
MD = 多面;DNS = 双核系统; σ = 截面
当原子序为114时,宏观—微观理论表示下一个中子幻数为184,因此298Fl原子核很有可能会是继208Pb(原子序82、中子数126)之后下一个满足双重幻数的原子核。298Fl位于理论预计的“稳定岛”的中央。然而,其他运用相对论平均场理论的计算显示,原子序120、122和126才是幻数。有一种可能性是,稳定性并不在单一数字上飙升,而是在原子序从114到126时都是较高的。
由于偶核效应,297镆的轨道修正能量最低,因此裂变位垒最高。由于较高的裂变位垒,任何在这稳定岛上的原子核都只会进行α衰变,所以半衰期最长的原子核将会是298Fl。半衰期预计很难超过10分钟,除非中子数为184的中子轨道实际比理论上预计的更稳定。另外,由于有奇数中子,297Fl的半衰期可能会更长。
𫓧预计属于7p系,并是元素周期表中14 (IVA)族最重的成员,位于铅之下。这一族的氧化态为+IV,而较重的元素也表现出较强的+II态,这是因为惰性电子对效应。锡的+II和+IV态强度相近。铅的+II态比+IV态强。因此𫓧应该继续这一趋势,有着氧化性的+IV态和稳定的+II态。
𫓧的化学特性应与铅相近,能形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2和FlI2。如果其+IV态能够进行化学反应,它将只能形成FlO2和FlF4。它也有可能形成混合氧化物Fl3O4,类似于Pb3O4。
2007年4月至5月,瑞士保罗谢勒研究所与Flerov核反应实验室的合作计划研究了鿔的化学特性。第一项反应为242Pu(48Ca,3n)287Fl,第二项反应为244Pu(48Ca,4n)288Fl。他们将所生成的原子在金平面上的吸收属性与氡的属性作了比较。第一项实验探测到3个283Cn原子,但同时也似乎探测到了1个287Fl原子。这项结果是出乎意料的,因为要移动生成了的原子需时大约2秒,𫓧原子应该在被吸收前已经衰变了。第二个反应产生了2个288Fl原子和1个289Fl原子。其中两个原子的吸收特性符合稀有气体的特性。2008年进行的实验肯定了这一重要的结果,所产生的289Fl原子特性也符合先前的数据,表示𫓧和金发生交互作用时类似于稀有气体。[65]