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錀

原子序数为111的化学元素
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錀（ㄌㄨㄣˊ）（英語：Roentgenium），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為Rg，原子序數為111。錀是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器少量合成。所有錀同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其最重也最長壽的已知同位素為錀-282，其半衰期約為100秒。未經證實的同位素錀-286可能具有更長的半衰期，約為10.7分鐘。[7]目前科學家僅成功合成出很少的錀原子，除了基礎科學研究之外，錀沒有任何實際應用。[8]

錀 111Rg
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
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（惰性氣體）
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（惰性氣體）
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（惰性氣體）
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） 鎝（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（惰性氣體）
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） 鎦（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） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（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） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（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（預測為惰性氣體）
金
↑
錀
↓
(Uhu)
鐽 ← 錀 → 鎶
外觀
銀白色（預測）[1]
概況
名稱·符號·序數錀（Roentgenium）·Rg·111
元素類別未知
可能為過渡金屬
族·週期·區11·7·d
標準原子質量[282]
電子組態[Rn] 5f14 6d9 7s2
（預測）[1][2]
2, 8, 18, 32, 32, 17, 2
（預測）
錀的電子層（2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 （預測））
錀的電子層（2, 8, 18, 32, 32, 17, 2
（預測））
歷史
發現重離子研究所（1994年）
物理性質
物態固體（預測）[3]
密度（接近室溫）
28.7（預測）[2] g·cm−3
原子性質
氧化態5, 3, 1, −1（預測）[2]
游離能第一：1022.7（估值）[2] kJ·mol−1
第二：2074.4（估值）[2] kJ·mol−1
第三：3077.9（估值）[2] kJ·mol−1
（更多）
原子半徑114（預測）[2] pm
共價半徑121（估值）[4] pm
雜項
CAS編號54386-24-2
同位素
主條目：錀的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
280Rg 人造 3.9 秒[5] α 10.149 276Mt
281Rg 人造 11 秒[5] SF – –
α 9.28[6] 277Mt
282Rg 人造 130 秒 α 9.01[6] 278Mt

錀是週期表中11族的成員，所以其性質預計和金、銀、銅等同族金屬類似，可能會是銅紅色、銀白色或金黃色等有色彩的固體金屬。[8][9]由於錀沒有足夠穩定的同位素，因此目前未能通過化學實驗來驗證其是否具有金的更重同族元素的性質。

德國達姆施塔特重離子研究所的研究團隊在1994年首次合成出錀元素。其名稱得自發現X射線的德國物理學家威廉·倫琴。

概論

這個部分摘自：超重元素 § 概論[編輯]

超重元素的合成

 
核融合反應的圖示。兩個原子核融合成一個，並發射出一個中子。這個反應和用來創造新元素的反應相似，唯一可能的區別是它有時會釋放幾個中子，或者根本不釋放中子。
外部影片連結
  基於澳大利亞國立大學的計算，核融合未成功的可視化[10]

超重元素[a]的原子核是在兩個不同大小的原子核[b]的聚變中產生的。粗略地說，兩個原子核的質量之差越大，兩者就越有可能發生反應。[16]由較重原子核組成的物質會作為靶子，被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候，才能聚變成一個原子核。原子核都帶正電荷，會因為靜電排斥力而相互排斥，所以只有兩個原子核的距離足夠短時，強核力才能克服這個排斥力並發生聚變。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。[17]施加到粒子束上以加速它們的能量可以使它們的速度達到光速的十分之一。但是，如果施加太多能量，粒子束可能會分崩離析。[17]

不過，只是靠得足夠近不足以使兩個原子核融合：當兩個原子核逼近彼此時，它們通常會融為一體約10−20秒，之後再分開（分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同），而非形成單一的原子核。[17][18]這是因為在嘗試形成單個原子核的過程中，靜電排斥力會撕開正在形成的原子核。[17]每一對目標和粒子束的特徵在於其截面，即兩個原子核彼此接近時發生聚變的概率。[c]這種聚變是量子效應的結果，其中原子核可通過量子穿隧效應克服靜電排斥力。如果兩個原子核可以在該階段之後保持靠近，則多個核相互作用會導致能量的重新分配和平衡。[17]

兩個原子核融合產生的原子核處於非常不穩定，[17]被稱為複合原子核（英語：compound nucleus）的激發態。[20]複合原子核為了達到更穩定的狀態，可能會直接裂變，[21]或是放出一些中子來帶走激發能量。如果激發能量太小，無法放出中子，複合原子核就會放出γ射線來帶走激發能量。這個過程會在原子核碰撞後的10−16秒發生，並創造出更穩定的原子核。[21]原子核只有在10−14秒內不衰變，IUPAC/IUPAP聯合工作小組才會認為它是化學元素。這個值大約是原子核得到它的外層電子，顯示其化學性質所需的時間。[22][d]

衰變和探測

粒子束穿過目標後，會到達下一個腔室——分離室。如果反應產生了新的原子核，它就會存在於這個粒子束中。[24]在分離室中，新的原子核會從其它核種（原本的粒子束和其它反應產物）中分離，[e]到達半導體探測器（英語：Semiconductor detector）後停止。這時標記撞擊探測器的確切位置、能量和到達時間。[24]這個轉移需要10−6秒的時間，因此原子核需要存在這麼長的時間才能被檢測到。[27]若衰變發生，衰變的原子核被再次記錄，並測量位置、衰變能量和衰變時間。[24]

原子核的穩定性源自於強核力，但強核力的作用距離很短，隨著原子核越來越大，強核力對最外層的核子（質子和中子）的影響減弱。同時，原子核會被質子之間，範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。[28]強核力提供的核結合能以線性增長，而靜電排斥力則以原子序數的平方增長。後者增長更快，對重元素和超重元素而言變得越來越重要。[29][30]超重元素理論預測[31]及實際觀測到[32]的主要衰變方式，即α衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。[f]幾乎所有會α衰變的核種都有超過210個核子，[34]而主要通過自發裂變衰變的最輕核種有238個核子。[32]有限位勢壘在這兩種衰變方式中抑制了原子核衰變，但原子核可以隧穿這個勢壘，發生衰變。[29][30]

 
基於在杜布納聯合原子核研究所中設置的杜布納充氣反衝分離器，用於產生超重元素的裝置方案。在檢測器和光束聚焦裝置內的軌跡會因為前者的磁偶極（英語：Magnetic dipole）和後者的四極磁體（英語：Quadrupole magnet）而改變。[35]

放射性衰變中常產生α粒子是因為α粒子中的核子平均質量足夠小，足以使α粒子有多餘能量離開原子核。[36]自發裂變則是由靜電排斥力將原子核撕裂而致，會產生各種不同的產物。[30]隨著原子序數增加，自發裂變迅速變得重要：自發裂變的部分半衰期從92號元素鈾到102號元素鍩下降了23個數量級，[37]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[38]早期的液滴模型因此表明有約280個核子的原子核的裂變勢壘（英語：Fission barrier）會消失，因此自發裂變會立即發生。[30][39]之後的核殼層模型表明有大約300個核子的原子核將形成一個穩定島，其中的原子核不易發生自發裂變，而是會發生半衰期更長的α衰變。[30][39]隨後的研究發現預測存在的穩定島可能比原先預期的更遠，還發現長壽命錒系元素和穩定島之間的原子核發生變形，獲得額外的穩定性。[40]對較輕的超重核種[41]以及那些更接近穩定島的核種[37]的實驗發現它們比先前預期的更難發生自發裂變，表明核殼層效應變得重要。[g]

α衰變由發射出去的α粒子記錄，在原子核衰變之前就能確定衰變產物。如果α衰變或連續的α衰變產生了已知的原子核，則可以很容易地確定反應的原始產物。[h]因為連續的α衰變都會在同一個地方發生，所以通過確定衰變發生的位置，可以確定衰變彼此相關。[24]已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別，例如衰變能量（或更具體地說，發射粒子的動能）。[i]然而，自發裂變會產生各種分裂產物，因此無法從其分裂產物確定原始核種。[j]

嘗試合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息，即原子核到達探測器的位置、能量、時間以及它衰變的信息。他們分析這些數據並試圖得出結論，確認它確實是由新元素引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核種確實是新元素的結論，且對觀察到的現象沒有其它解釋，就可能在解釋數據時出現錯誤。[k]

歷史

 
Roentgenium, GSI

發現

錀是由德國達姆施塔特的重離子研究所（GSI）於1994年12月8日，在線性加速器內利用鎳-64轟擊鉍-209而合成的。這次實驗成功產生了三顆錀-272原子，其迅速衰變成其他元素。[52]

 

IUPAC/IUPAP聯合工作小組（JWP）在2001年時認為沒有足夠證據證明當時確實發現了錀。[53]GSI的小組在2002年重複實驗，並再檢測到三個原子。[54][55]在他們2003年的報告當中，聯合工作小組決定承認GSI團隊對此新元素的發現。[56]

命名

111號元素在2004年11月1日被命名為Roentgenium（Rg），紀念1895年發現X射線的科學家威廉·倫琴。根據IUPAC元素系統命名法，111號元素原稱「Unununium」（Uuu），源自111的拉丁語寫法。

2005年，全國科學技術名詞審定委員會提出第111號元素中文定名草案。2006年1月20日下午由全國科學技術名詞審定委員會、國家語言文字工作委員會組織召開的第111號元素中文定名研討會上，確定使用類推簡化字「𬬭」（讀音同「倫」），對應繁體字「錀」字，是古代表示化學元素金的古字。2007年3月21日全國科學技術名詞審定委員會公布這一結果，同時也宣布該命名已經得到國家語言文字工作委員會的同意。[57][58]

同位素與核特性

主條目：錀的同位素

目前已知的錀同位素共有7個，質量數分別為272、274和278-282，還有兩個已知但未確認的亞穩態，錀-272m和錀-274m。錀的同位素全部都具有極高的放射性，半衰期極短，非常不穩定，且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定，其中最長壽的同位素為錀-282，半衰期約100秒，也是目前發現最重的錀同位素。未經證實的同位素錀-283和錀-286可能具有更長的半衰期，分別為5.1分鐘和10.7分鐘。除了錀-282外，其他壽命較長的同位素有錀-280和錀-281，半衰期分別為4.6秒和17秒，剩下4種較輕同位素的半衰期均以毫秒計。[59]大多數錀同位素主要發生α衰變或自發裂變，但錀-280也有機率發生電子捕獲。[60]

化學屬性

電子結構（相對論）

穩定的11族元素銅、銀和金都有著nd10(n+1)s1形式的外層電子組態。這些元素的第一激發態原子的外層電子組態為nd9(n+1)s2。由於d軌域電子之間的自旋-軌道作用，這種狀態分為兩個不同的能階。銅基態和最低激發態之間的能量差使銅呈紅棕色。銀的能量差距更大，因此呈銀色。然而，隨著原子序的增加，相對論效應使激發態更加穩定，金的能量差減少，因此再次呈金黃色。有關錀的計算表明，6d97s2能階足夠穩定，應可成為基態，而6d107s1則會是第一激發態。該新的基態與第一激發態間的能量差和銀相似，因此錀預計將呈銀色。[61]

推算的化學屬性

氧化態

錀預計將是6d系過渡金屬的第9個成員，屬於週期表中11族（IB）最重的成員，位於銅、銀和金的下面。每個11族元素的穩定氧化態都不同：銅形成穩定的+2態，銀則主要形成銀(I)，金則主要形成金(III)。銅(I)和銀(II)比較少見。因此，錀預計主要形成穩定的+3態。由於相對論效應，金也形成-1穩定氧化態，錀可能也這樣做。

化學特性

該族較重的成員對化學反應呈惰性。銀和金都對氧氣呈惰性，但能與鹵素發生反應。此外，銀亦能與硫和硫化氫發生反應，銀的反應活性明顯比金較高。錀的惰性預計比金更高，將不會與氧和鹵素發生反應。最有可能的反應是與氟形成氟化物RgF3，與水形成的氫氧化物Rg(OH)3，以及通過氫氧化物製取得Rg2O3。

大眾文化

此元素在動畫節目「海綿寶寶」中，名字稱為邪惡元素（Jerktonium），符號為Jt，此元素有111個質子，在節目中可讓比奇堡的生物變邪惡，但是海綿寶寶和章魚哥除外，在節目中解藥為一首歌。

注釋

  1. ^ 在核物理學中，原子序高的元素可稱為重元素，如82號元素鉛。超重元素通常指原子序大於103（也有大於100[11]或112[12]的定義）的元素。有定義認為超重元素等同於錒系後元素，因此認為還未發現的超錒系元素不是超重元素。[13]
  2. ^ 2009年，由尤里·奧加涅相引領的團隊發表了他們嘗試通過對稱的136Xe + 136Xe反應合成𨭆的結果。他們未能在這個反應中觀察到單個原子，因此設置截面，即發生核反應的概率的上限為2.5 pb。[14]作為比較，發現𨭆的反應208Pb + 58Fe的截面為19+19
    -11     pb。[15]
  3. ^ 施加到粒子束以加速它的能量也會影響截面。舉個例子，在28
    14    Si
     + 1
    0    n
     → 28
    13    Al
     + 1
    1    p
    反應中，截面會從12.3 MeV的370 mb變化成18.3 MeV的160 mb，最高值是13.5 MeV的380 mb。[19]
  4. ^ 這個值也是普遍接受的複合原子核壽命上限。[23]
  5. ^ 分離基於產生的原子核會比未反應的粒子束更慢地通過目標這一點。分離器中包含電場和磁場，它們對運動粒子的影響會因粒子的特定速度而被抵消。[25]飛行時間質譜法（英語：Time-of-flight mass spectrometry）和反衝能量的測量也有助於分離，兩者結合可以估計原子核的質量。[26]
  6. ^ 不是所有放射性衰變都是因為靜電排斥力導致的，β衰變便是弱核力導致的。[33]
  7. ^ 早在1960年代，人們就已經知道原子核的基態在能量和形狀上的不同，也知道核子數為幻數時，原子核就會更穩定。然而，當時人們假設超重元素的原子核因為過於畸形，無法形成核子結構。[37]
  8. ^ 超重元素的原子核的質量通常無法直接測量，所以是根據另一個原子核的質量間接計算得出的。[42]2018年，勞倫斯伯克利國家實驗室首次直接測量了超重原子核的質量，[43]它的質量是根據轉移後原子核的位置確定的（位置有助於確定其軌跡，這與原子核的質荷比有關，因為轉移是在有磁鐵的情況下完成的）。[44]
  9. ^ 如果在真空中發生衰變，那麼由於孤立系統在衰變前後的總動量必須保持守恆，衰變產物也將獲得很小的速度。這兩個速度的比值以及相應的動能比值與兩個質量的比值成反比。衰變能量等於α粒子和衰變產物的已知動能之和。[34]這些計算也適用於實驗，但不同之處在於原子核在衰變後不會移動，因為它與探測器相連。
  10. ^ 自發裂變由蘇聯科學家格奧爾基·弗廖羅夫發現，[45]而他也是杜布納聯合原子核研究所的科學家，所以自發裂變就成了杜布納聯合原子核研究所經常討論的課題。[46]勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家認為自發裂變的信息不足以聲稱合成元素，他們認為對自發裂變的研究還不夠充分，無法將其用於識別新元素，因為很難確定複合原子核是不是僅噴射中子，而不是質子或α粒子等帶電粒子。[23]因此，他們更喜歡通過連續的α衰變將新的同位素與已知的同位素聯繫起來。[45]
  11. ^ 舉個例子，1957年，瑞典斯德哥爾摩省斯德哥爾摩的諾貝爾物理研究所錯誤鑑定102號元素。[47]早先沒有關於該元素發現的明確聲明，所以瑞典、美國、英國發現者將其命名為nobelium。後來證明該鑑定是錯誤的。[48]次年，勞倫斯伯克利國家實驗室無法重現瑞典的結果。他們宣布合成了該元素，但後來也被駁回。[48]杜布納聯合原子核研究所堅持認為他們第一個發現該元素，並建議把新元素命名為joliotium，[49]而這個名稱也沒有被接受（他們後來認為102號元素的命名是倉促的）。[50]由於nobelium這個名稱在三十年間已被廣泛使用，因此沒有更名。[51]

參考資料

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參考書目

外部連結

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