𬬻
𬬻[a]（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48分钟。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，𬬻是比同族的铪更重的化学同类物，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。
概论[编辑]
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历史[编辑]
发现[编辑]
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，观测到一次半衰期0.3 ± 0.1秒的自发裂变事件。他们把这次衰变归因于260104，不过由于后来的研究发现𬬻没有半衰期约0.3秒的同位素，所以这个结论是错误的。[6]
研究人员于1966–1969年重复实验。他们把产物与四氯化锆（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族元素的化学属性。他们这次把半衰期0.3秒的核素指向了259104：[6]
- 242
94Pu
+ 22
10Ne
→ 264−x104 → 264−x104Cl4
研究人员通过该实验支持104号元素的0.3秒半衰期。虽然目前已知𬬻没有半衰期约0.3秒的同位素，但反应产生的氯化物的挥发性与4族元素氯化物相近，远高于锕系元素氯化物，说明其化学性质与104号元素吻合。[6]
1969年，美国加州大学伯克利分校以碳-12离子撞击锎，确定性地合成了𬬻，并测量了257104的α衰变：[7]
- 249
98Cf
+ 12
6C
→ 257104 + 4
n
他们也合成了260104，但观测到的半衰期不是0.3秒，而是10–30毫秒，与今天的数值21毫秒吻合。1970年，美国研究人员通过离子交换法研究104号元素的化学性质，证明它与铪同为4族元素。[8]
在美国进行的实验于1973年得到独立证实，其中通过观测257Rf衰变产物——锘-253的K-αX光，确实了𬬻为母衰变体。[9]
命名争议[编辑]
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。[10]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。[6]
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。[11]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。[12]
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”[13]。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。[12]
随后，全国科学技术名词化学名词审定委员会也据此于1998年7月8日公布了101至109号元素重新审定的中文命名。其中104号元素Rutherfordium中文名曾定为“𬬻”（音同“卢”），现根据IUPAC的决定，仍予以采用；105号元素Dubnium定为“𬭊”（音同“杜”）。自此，101至105号元素被正式定名，也弥补了1998年之前106号以后的元素一直无中文名称的遗憾，同时海峡两岸化学家也已取得共识，可望在两岸共同使用。[14][15]
核合成[编辑]
𬬻等超重元素的合成方法是将两种较轻的元素通过粒子加速器相互高速撞击，并以此产生核聚变反应。多数𬬻同位素都可以用这种方法合成，但某些较重的同位素目前只能在原子序更高的元素的衰变产物当中发现。[16]
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。[16]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。[17]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）。[18]
热核聚变[编辑]
位于杜布纳的研究团队在1964年首次尝试合成𬬻，所用的热核聚变反应将氖-22发射体撞击钚-242目标[6]：
- 242
94Pu
+ 22
10Ne
→ 264-x
104Rf
+ x
n
(x=3,5).
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。[6]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，其属性类似于铪的较重同族元素，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。[6]
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：
- 248
96Cm
+ 16
8O
→ 260
104Rf
+ 4
n
.
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）。[19][20]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）[21]及长半衰期的自发裂变事件，后者不确定地指向𬬻-263。[22]
吉奥索的团队也研究了锎-249与碳-13之间的反应，并合成了短半衰期的𬬻-258（其在11毫秒后进行自发裂变）：[7]
- 249
98Cf
+ 13
6C
→ 258
104Rf
+ 4
n
.
在转用碳-12之后，他们更首次观测到𬬻-257的α衰变。[7]
杜布纳的团队于1977首次研究锫-249和氮-14之间的反应，并于1985年证实产生了𬬻-260同位素，该同位素在28毫秒之后进行自发裂变：[6]
- 249
97Bk
+ 14
7N
→ 260
104Rf
+ 3
n
.
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：
- 244
94Pu
+ 22
10Ne
→ 266-x
104Rf
+ x
n
(x=4, 5).
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。[23]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。[24]
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：
- 238
92U
+ 26
12Mg
→ 264-x
104Rf
+ x
n
(x = 3, 4, 5, 6).
他们观测到𬬻-260和𬬻-259的衰变，之后又观测到𬬻-259的衰变。在一系列利用铀目标体的实验中，劳伦斯伯克利国家实验室的团队于2006年探测到了𬬻-261。[24][25][26]
冷核聚变[编辑]
首次合成𬬻的冷核聚变反应是于1974年在杜布纳进行的，反应将钛-50射向铅-208同位素标靶：
- 208
82Pb
+ 50
22Ti
→ 258-x
104Rf
+ x
n
(x = 1, 2, 3).
测量到的自发裂变事件源自𬬻-256，[27]而其后在重离子研究所（GSI）进行的实验则测量了𬬻-257和𬬻-255的衰变属性。[28][29]
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。[30]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。[29]
衰变[编辑]
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[31]：
- 279
110Ds
→ 275
108Hs
+
α
→ 271
106Sg
+
α
→ 267
104Rf
+
α
.
这又继续进行自发裂变，半衰期约为1.3小时。[31][32][33]
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。[22]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。[34]
2004年进行的实验初步显示，在镆-288的衰变链中存在一种质量更高的𬬻同位素，𬬻-268[35]：
- 288
115Mc
→ 284
113Nh
+
α
→ 280
111Rg
+
α
→ 276
109Mt
+
α
→ 272
107Bh
+
α
→ 268
105Db
+
α
? → 268
104Rf
+
ν
e .
不过衰变链的最后一个步骤仍待确认。在5个α衰变事件产生𬭊-268之后，研究人员又观测到了长半衰期的自发裂变事件。目前未知这些事件是否来自𬭊-268的直接自发裂变，还是𬭊-268进行长半衰期的电子捕获而产生𬬻-268。如果后者在产生后进行短半衰期的衰变，那么这两种情况是无法分辨的。[36]假设没有探测到𬭊-268的电子捕获，则这些自发裂变事件就可能源自𬬻-268，那么这个同位素的半衰期就不得而知了。[35][37]
根据2007年一项有关合成鿭的报告，同位素鿭-282进行类似的衰变，并形成𬭊-266，𬭊会再进行自发裂变，半衰期为22分钟。假设没有探测到𬭊-266的电子捕获，则这些自发裂变事件就可能源自𬬻-266，那么这个同位素的半衰期就不得而知了。[38][39]
同位素[编辑]
| 同位素 | 半衰期[40] | 衰变方式[40] | 发现年份 | 所用反应 |
|---|---|---|---|---|
| 253Rf | 48 μs | α, SF | 1994年 | 204Pb(50Ti,n)[29] |
| 254Rf | 23 μs | SF | 1994年 | 206Pb(50Ti,2n)[29] |
| 255Rf | 2.3 s | ε?, α, SF | 1974年 | 207Pb(50Ti,2n)[30] |
| 256Rf | 6.4 ms | α, SF | 1974年 | 208Pb(50Ti,2n)[30] |
| 257Rf | 4.7 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[7] |
| 257mRf | 4.1 s | ε, α, SF | 1969年 | 249Cf(12C,4n)[7] |
| 258Rf | 14.7 ms | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,4n)[7] |
| 259Rf | 3.2 s | α, SF | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[7] |
| 259mRf | 2.5 s | ε | 1969年 | 249Cf(13C,3n)[7] |
| 260Rf | 21 ms | α, SF | 1969年 | 248Cm(16O,4n)[6] |
| 261Rf | 78 s | α, SF | 1970年 | 248Cm(18O,5n)[19] |
| 261mRf | 4 s | ε, α, SF | 2001年 | 244Pu(22Ne,5n)[41] |
| 262Rf | 2.3 s | α, SF | 1996年 | 244Pu(22Ne,4n)[23] |
| 263Rf | 15 min | α, SF | 1999年 | 263Db( e− , ν e )[22] |
| 263mRf ? | 8 s | α, SF | 1999年 | 263Db( e− , ν e )[22] |
| 265Rf | 1.1 min[4] | SF | 2010年 | 269Sg(—,α)[34] |
| 266Rf | 23 s? | SF | 2007年? | 266Db( e− , ν e )?[38] |
| 267Rf | 1.3 h | SF | 2004年 | 271Sg(—,α)[31] |
| 268Rf | 1.4 s? | SF | 2004年? | 268Db( e− , ν e )?[35] |
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。[40]
半衰期[编辑]
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。[40]
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。同位素266Rf和268Rf被报道分别是𬭊同位素266Db和268Db电子捕获的衰变产物，但它们都会很快发生自发裂变。270Db可能的衰变产物270Rf很可能也是这样。[42]目前这三种同位素都尚未确认。
1999年，位于美国加州伯克利的科学家宣布成功合成3颗293Og原子。[43]他们称这些原子核先后射出7颗α粒子，并形成265Rf原子核，但在2001年撤回了这一项结果。[44]265Rf最终于2010年发现，是285Fl的最终衰变产物。[4][34]
同核异构体[编辑]
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。[22]
在利用244Pu(22Ne,5n)261Rf这条反应研究𬬻同位素的合成时，人们发现反应的产物进行了8.28 MeV的α衰变，半衰期为78秒。之后重离子研究所在研究鿔和𬭶的合成时，却得到了不同的数据：衰变链中的261Rf进行8.52 MeV的α衰变，半衰期为4秒。后来的结果指出，该核素主要进行裂变。这些矛盾使人们对鿔的合成产生了怀疑。第一种同核异构体为261aRf（或直接记为261Rf），第二种为261bRf（或记为261mRf）。不过，一般认为前者属于高自旋基态，而后者则属于低自旋亚稳态。[41]同核异构体261bRf的发现及确认最终使鿔的发现在1996年得到了肯定。[46]
对利用208Pb(50Ti,n)257Rf这条反应的详细光谱分析确认了257Rf的一种同核异能态。分析发现257gRf有着具15条α谱线的复杂光谱，并算出了两种同核异构体的能级结构图。[47]类似的同核异构体也被发现存在于256Rf中。[48]
预测的属性[编辑]
化学属性[编辑]
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。[49][22]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。[49]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。[49][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。[49]
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。[49]
物理及原子属性[编辑]
𬬻在一般状态下预计会是一种固体，[50]其密度会很高，约为23 g/cm3。相比之下，已知密度最高的元素——锇——的密度为22.61 g/cm3。这是由于𬬻拥有高原子量，以及由于锕系收缩和相对论性效应。实际产生足够的𬬻来测量这些属性却是不切实际的，而且就算制成了，样本也会迅速衰变。𬬻的原子半径预测约为150 pm。相对论性效应使𬬻的7s轨道具有稳定性，而6d轨道则有不稳定性，因此Rf+和Rf2+离子会失去6d电子，而非7s电子。这是和同族的较轻元素相反的。[2]
实验化学[编辑]
| 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[编辑]
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。[49][36][51]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RfCl
4的挥发性降低了。这表示产生了不挥发的K
2RfCl
6混合盐。[49][22][52]
水溶态[编辑]
𬬻的电子排布预计为[Rn]5f14 6d2 7s2，因此会具有铪的4族同族元素的属性。它会在强酸中形成Rf4+水合离子，并在氢氯酸、氢溴酸或氢氟酸中形成络合物。[49]
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。在和其同族元素对比之下，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。[49][53]
- 261mRf4+ + 6 Cl−
→ [261mRfCl6]2-
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：[49]
- 261mRf4+ + 6 F−
→ [261mRfF6]2-
注释[编辑]
参考资料[编辑]
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