关于超铀元素介绍

[拼音]：chaoyou yuansu

[外文]：transuranium elements

元素周期表中铀以后元素的总称。迄今为止所发现的绝大部分超铀元素都是人工合成的放射性元素。

历史

20世纪30年代，元素周期表上的最后一个元素是92号元素铀。1934年E.费密认为，元素周期表的终点不是铀，铀以后还应存在“超铀元素”。他从中子照射过的铀中分出了放射性产物，并称之为“超铀元素”。1938年发现核裂变现象后，判明以前所谓的“超铀元素”实际上是某些裂变产物元素。1940年，美国科学家E.M.麦克米伦等利用中子照射氧化铀薄片，发现了第一个人工合成的超铀元素──93号元素镎。随着反应堆、加速以及核物理和放射化学探测、分离技术的发展，1940年以后，已用人工方法合成了从93号到107号的15个超铀元素，约160种核素;1982年和1984年，又报道合成了109号和108号元素。

电子壳层结构

超铀元素中前11个（Z=93～103，即镎到铹）属于锕系元素。如同镧以后填充4f亚电子壳层的14个元素（Z=58～71，从铈到镥）组成镧系元素一样，锕(Z=89)以后填充5f亚电子壳层的14个元素(Z=90～103，从钍到铹)组成锕系元素，在元素周期表中也占有特殊的位置（见元素周期表）。由于这些元素逐个填充5f内电子壳层，它们彼此在化学性质上是相似的，需用特殊的萃取剂和离子交换剂进行化学分离。

铹(Z＝103)以后的元素总称超锕元素(或超铹元素)，目前只人工合成了104、105、106、107、108和109号元素（这些元素的化学命名尚未最后确定）。它们继续填充6d电子壳层，因而，104号元素的化学行为同Ⅳ副族的铪相似，105号元素同Ⅴ副族的钽相似，106和107号元素则相应同钨和铼相似。

制备

尽管已发现在天然铀矿中存在极微量的镎和钚，但供研究和应用的全部超铀元素仍都由人工方法制备。人工合成超铀元素主要通过两大类型核反应的途径实现。

利用铀作为超始核，通过一次或几次俘获中子的(n，γ)反应，再经过一次或几次β衰变，使铀的原子序数增加一个或几个单位，最终获得超铀元素。如反应堆中作核燃料的铀，经过中子的长期照射，逐步俘获中子并进行β衰变，生成有用的核能燃料如钚，再继续用钚制备镅、锔、锎等。核爆炸时极高通量的脉冲中子使铀经受多次中子俘获，继而连续多次β衰变，可生成比铀的原子序数大许多单位的各种超铀元素，直至生成锿(Z=99)和镄(Z=100)。

加速产生的入射粒子轰击靶元素，形成激发态的复合核，然后，通过蒸发一定数目中子即可以合成比靶元素更重的元素。入射粒子有加速了的轻离子（质子、氘核和α 粒子）和重离子（一般指比α 粒子重的各种离子）。在人工合成超铀元素的早期研究中，常常用加速首先合成微量的新元素，随后这些元素的可称量生产即由反应堆承担。锔、锫、锎三种超铀元素就是通过加速的α粒子轰击相应靶而首次发现的，利用这些微量新元素研究它们的核性质和化学行为，为后来的应用与生产提供了重要根据。由于无法生产可称量的Z>100的元素，因而不可能利用轻离子的核反应合成Z>102的元素，必须选用合适的重离子来轰击靶。例如105号元素是由85兆电子伏的氮离子轰击60微克的249Cf靶制得的：

必须指出，这个反应形成的复合核绝大部分进行了裂变，只有极少部分生成105号元素，生成截面约为3×10-9靶恩。

人工合成元素的生成截面随着Z的增大而减小，自发裂变几率增加，半衰期更短。如钔同位素中半衰期最长的为56天，而106和107号元素的半衰期的量级则在秒以下。这给更重的元素的人工合成和鉴定带来了严重困难。

上述两种合成的方法中，只有中子俘获法能获得可称量的 Z<100的超铀元素。目前世界上钚的年产量达吨级，镎、镅、锔的年产量达到公斤级，锔以后的元素的年产量则低得多，如锎仅为克数量级。利用带电粒子轰击靶元素的方法只能获得示踪量的超铀元素。对于Z>100的元素的合成，因其生成截面极小，往往一次实验仅可产生几十甚至几个原子。第一次合成钔时，用α 粒子轰击253Es，三个小时才产生一个256Md原子。

应用

人工合成的超铀元素对核能的发展和利用有重要意义。239Pu是反应堆及核电站等的重要核燃料238Pu、242Cm和244Cm制成的热源和热电池已用于气象卫星和航天事业，238Pu还用于制造心脏起搏器。252Cf的半衰期为2.65年，有3.09％自发裂变，每个裂变事件平均释放3.77个中子，1毫克252Cf每秒放出2.3×109个中子。同其他中子源比较，252Cf制成的中子源有体积小、中子产额高等优点，是一个理想的自发裂变中子源。此外，人工合成超重元素（见超重核）对扩展元素周期表、预言更重的原子核的结构和探索星际起源等方面都有重要意义。