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超鈾元素

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在元素週期表中的超鈾元素
氫（非金屬） 氦（貴氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（貴氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（貴氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體）
鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體）
Z > 92 (鈾, U)

超鈾元素（英語：Transuranium element）在化學上指的是原子序數大於92（鈾的原子序數）的重元素。它們都具有放射性不穩定並會衰變成其他元素。除了在自然界中發現痕量的鎿和鈈之外，地球上沒有天然存在的超鈾元素，並且它們都是人工合成元素。

概述

原子序數從1到92的元素中，除了鍀、鉕、砹和鈁之外，都可以在地球上檢測到相當的量，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。鍀、鉕、砹和鈁雖然也存在於自然界中，但僅有痕量的存在。砹和鈁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；而原子序數較小的鍀和鉕只能由鈾-238的自發裂變以及由鉬/釹分別發生中子俘獲而產生。

原子序數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：鎿和鈈，不過皆為以痕量的存在。我們可以在富鈾的礦石中檢測到它們的痕跡。這些痕跡是鈾礦石經過中子俘獲後緊接着發生β衰變而生成的，例如以下反應：238U + n → 239U → 239Np → 239Pu。

超鈾元素可以用核反應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堆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]此外，在核試驗後也會生成少量的超鈾元素，自二戰以來的多次核武器試驗已將至少八種超鈾元素釋放到環境中，包括鎿、鈈、鎇、鋦、錇、鐦、鎄和鐨。[2]

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，因此難以對其性質進行詳細研究。[3][4]目前所發現原子序最大的超重元素是118號的鿫。

超鈾元素的半衰期有隨着原子序數的增加而縮短的趨勢，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。格倫·西奧多·西博格預言了在這一系列元素中有更多的反常核種，並且把它們歸類於「穩定島」，即質子數或中子數為幻數的原子核具有特別的穩定性。

超鈾元素中未發現的元素及已發現但尚未正式命名的元素，皆使用IUPAC元素系統命名法。超鈾元素的命名曾引起很大的爭論，104到109號元素命名的爭論從1960年代開始一直到1997年才解決（參見超鐨元素爭議）。

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，武器級鈈的價格約為每克4,000美元[5]，而每克鐦的價格超過6,000萬美元。[6]鎄是目前產量能以肉眼所見的最重元素。[7]

超鈾元素列表

序號 元素 符號 電子在每個能階的排佈
93 鎿 Np 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 鈈 Pu 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 鎇 Am 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 鋦 Cm 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 錇 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

超重元素

在元素週期表中的超重元素
氫（非金屬） 氦（貴氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（貴氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（貴氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體）
鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體）
Z > 103 (鐒, Lr)
主條目：超重元素

超重元素（也稱為超重原子，通常縮寫為 SHE）通常是指從鑪（原子序數104）開始的錒系後元素 (transactinide elements)。(第一個 6d 元素鐒有時也包括在內，但不一定)。這些元素只被人工製造出來，目前沒有任何實際用途，因為它們的半衰期很短，從幾小時到幾毫秒不等，會在很短的時間後衰變，這也使得它們極難被研究。[3][4]

超重原子都是從20世紀後半葉開始被創造出來的，隨着科技的進步，21世紀的超重原子也不斷被創造出來。它們是透過在粒子加速器中轟擊元素而產生的，數量達到原子規模，目前尚未發現大規模產生的方法。[3]

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、可裂變性等），而不是利用這些元素的物理及化學性質。[8]

鈈-239具有高的熱中子裂變截面，用於製造核武器和用作核反應堆中的核燃料（如快中子增殖反應堆）。

鈈-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。[9][10][11]

鋦-244是α粒子X射線光譜儀中最常見的α粒子射源，用於許多探測車和着陸器等太空探測器。[12]

電離煙霧探測器中使用極微量的鎇-241氧化物作為電離輻射源[13]，可用來預防火災。這種煙霧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。[14][15][16][17]鎇-241還可用作中子[18]、γ射線及α粒子射源。[19][20]

鐦-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[21]、反應堆的啟動中子源（英語：Startup neutron source）[21]、中子射線照相（英語：Neutron imaging）[22]、燃料棒掃描儀[21]及中子活化分析[23]等。

原子序數≥99（鎄以後）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。[24][25]

參見

參考資料

  1. ^ Luig, Heribert; Keller, Cornelius; Wolf, Walter; Shani, Jashovam; Miska, Horst; Zyball, Alfred; Gervé, Andreas; Balaban, Alexandru T.; Kellerer, Albrecht M. Radionuclides. 2000. doi:10.1002/14356007.a22_499. 
  2. ^ Fields, P.; Studier, M.; Diamond, H.; Mech, J.; Inghram, M.; Pyle, G.; Stevens, C.; Fried, S.; Manning, W.; et al. Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris. Physical Review. 1956, 102 (1): 180–182. Bibcode:1956PhRv..102..180F. doi:10.1103/PhysRev.102.180. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Heenen, Paul-Henri; Nazarewicz, Witold. Quest for superheavy nuclei (PDF). Europhysics News. 2002, 33 (1): 5–9. Bibcode:2002ENews..33....5H. doi:10.1051/epn:2002102 可免費查閱. （原始內容存檔 (PDF)於20 July 2018）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Greenwood, Norman N. Recent developments concerning the discovery of elements 100–111 (PDF). Pure and Applied Chemistry. 1997, 69 (1): 179–184. S2CID 98322292. doi:10.1351/pac199769010179. （原始內容存檔 (PDF)於21 July 2018）. 
  5. ^ Morel, Andrew. Elert, Glenn , 編. Price of Plutonium. The Physics Factbook. 2008. （原始內容存檔於20 October 2018）. 
  6. ^ Martin, Rodger C.; Kos, Steve E. Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization (報告). 2001. CiteSeerX 10.1.1.499.1273 可免費查閱. 
  7. ^ Silva, Robert J. Fermium, Mendelevium, Nobelium and Lawrencium. Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (編). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Third. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 978-1-4020-3555-5. 
  8. ^ 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  9. ^ Why the Cassini Mission Cannot Use Solar Arrays (PDF). NASA/JPL. December 6, 1996 [March 21, 2014]. （原始內容 (PDF)存檔於February 26, 2015）. 
  10. ^ St. Fleur, Nicholas, "The Radioactive Heart of the New Horizons Spacecraft to Pluto" 互聯網檔案館的存檔，存檔日期January 9, 2017，., New York Times, August 7, 2015. The "craft's 125-pound generator [is] called the General Purpose Heat Source-Radioisotope Thermoelectric Generator. [It] was stocked with 24 pounds of plutonium that produced about 240 watts of electricity when it left Earth in 2006, according to Ryan Bechtel, an engineer from the Department of Energy who works on space nuclear power. During the Pluto flyby the battery produced 202 watts, Mr. Bechtel said. The power will continue to decrease as the metal decays, but there is enough of it to command the probe for another 20 years, according to Curt Niebur, a NASA program scientist on the New Horizons mission." Retrieved 2015-08-10.
  11. ^ Mosher, Dave. NASA's Plutonium Problem Could End Deep-Space Exploration. Wired. September 19, 2013 [February 5, 2015]. （原始內容存檔於February 8, 2015）. 
  12. ^ Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T. An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder. Bulletin of the American Astronomical Society. 09/1996, 28: 1062. Bibcode:1996DPS....28.0221R. 
  13. ^ Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002. (Internet Archive), Retrieved 28 November 2010
  14. ^ Residential Smoke Alarm Performance, Thomas Cleary, Building and Fire Research Laboratory, National Institute of Standards and Technology, UL Smoke and Fire Dynamics Seminar. November 2007.
  15. ^ Bukowski, R. W. et al. (2007) Performance of Home Smoke Alarms Analysis of the Response of Several Available Technologies in Residential Fire Settings （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, NIST Technical Note 1455-1
  16. ^ Smoke detectors and americium-241 fact sheet (PDF). Canadian Nuclear Society. [31 August 2009]. （原始內容 (PDF)存檔於2013-05-24）. 
  17. ^ Julie Louise Gerberding. Toxicological Profile For Americium (PDF; 2.1MiB). United States Department of Health and Human Services/Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 2004-04 [29 August 2009]. （原始內容存檔 (PDF)於2009-09-06）. 
  18. ^ Harry H. Binder. Lexikon der chemischen Elemente: das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten : mit 96 Abbildungen und vielen tabellarischen Zusammenstellungen. 1999. ISBN 978-3-7776-0736-8. 
  19. ^ Greenwood, p. 1262
  20. ^ Nuclear Data Viewer 2.4 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, NNDC
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 O'Neil 2006，第276頁.
  22. ^ Osborne-Lee 1995，第26–27頁.
  23. ^ Martin, R. C. Applications and Availability of Californium-252 Neutron Sources for Waste Characterization (PDF). Spectrum 2000 International Conference on Nuclear and Hazardous Waste Management. Chattanooga, Tennessee. 2000-09-24 [2010-05-02]. （原始內容 (PDF)存檔於2010-06-01）. 
  24. ^ Hobart, David E.; Peterson, Joseph R. Berkelium. Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (編). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (PDF) 3 3rd. Dordrecht, the Netherlands: Springer. 2006: 1444–98. doi:10.1007/1-4020-3598-5_10. （原始內容 (PDF)存檔於2010-07-17）. 
  25. ^ Ghiorso, A.; Harvey, B.; Choppin, G.; Thompson, S.; Seaborg, G. New Element Mendelevium, Atomic Number 101. Physical Review. 1955, 98 (5): 1518 [2013-02-24]. Bibcode:1955PhRv...98.1518G. ISBN 978-981-02-1440-1. doi:10.1103/PhysRev.98.1518. （原始內容存檔於2021-04-27）. 

外部連結

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