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锎

原子序數為98的化學元素

提示：此条目页的主题不是钘。

锎（kāi）（英语：Californium，中国大陆译锎（kāi），香港译锎，台湾译鉲（kǎ）），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Cf，原子序数为98。锎属于锕系元素，是第六种人工合成的超铀元素，具强放射性。伯克利加州大学于1950年以α粒子撞击锔，首次人工合成出锎元素，因此该元素是以美国加利福尼亚州（California）及加州大学命名的。

锎 98Cf
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（惰性气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
镝
↑
锎
↓
(Uqo)
锫 ← 锎 → 锿
外观
银白色
一小块圆碟形的锎元素
概况
名称·符号·序数锎（Californium）·Cf·98
元素类别锕系元素
族·周期·区不适用·7·f
标准原子质量[251][1]
电子排布[Rn] 5f10 7s2 [2]
2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
锎的电子层（2, 8, 18, 32, 28, 8, 2）
锎的电子层（2, 8, 18, 32, 28, 8, 2）
物理性质
物态固体
密度（接近室温）
15.1[1] g·cm−3
熔点1,173 K，900 [1] °C，1,652 °F
沸点（估值）1,743[3] K，1,470 °C，2,678 °F
原子性质
氧化态2, 3, 4 [4]
电负性1.3 [5]（鲍林标度）
电离能第一：608 [6] kJ·mol−1
锎的原子谱线
杂项
晶体结构六方
莫氏硬度3–4[7]
CAS号7440-71-3 [1]
同位素
主条目：锎的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
249Cf 人造 351 年 α 6.293 245Cm
SF – –
250Cf 人造 13.08 年 α 6.129 246Cm
SF – –
251Cf 人造 898 年 α 6.177 247Cm
252Cf 人造 2.645 年 α 6.217 248Cm
SF – –
253Cf 人造 17.81 天 β− 0.291 253Es
α 6.126 249Cm
254Cf 人造 60.5 天 SF – –
α 5.927 250Cm

锎的外观为银白色金属，拥有三种晶体结构，分别存在于正常气压900 °C以下、正常气压900 °C以上与高压下（48 GPa）。在室温下，锎金属块会在空气中缓慢地失去光泽。锎的化合物主要由能够形成3个化学键的锎(III)形成。目前已知的20种锎的同位素中，锎-251是最为稳定的，其半衰期为898年，而锎-252是最常被使用的同位素，半衰期约为2.64年，该同位素主要在美国的橡树岭国家实验室及俄罗斯的核反应器研究所（英语：Research Institute of Atomic Reactors）（俄语：Научно-исследовательский институт атомных реакторов）合成。

锎是少数具有实际用途的超铀元素之一，也是最后一种除了科学研究外有实际应用的元素，所有原子序高于锎的元素由于半衰期普遍较短，且生产难度大得多，产量也十分稀少，而都没有实际的用途。利用某些锎同位素是强中子射源的特性，锎能够用于启动核反应堆，还可以使用在中子衍射技术和中子谱学（英语：Neutron spectroscopy）中对材料进行研究。另外，锎可用来合成质量数更高的元素，例如118号元素鿫是以钙-48离子撞击锎-249合成的。但在处理锎的时候，也因此必须考虑到放射性的问题。当锎累积在动物的骨骼组织时，将破坏红血球的形成，影响造血功能。

历史

 
首次合成锎时所用的1.5米直径回旋加速器

1950年2月9日前后，物理学家斯坦利·G·汤普森（英语：Stanley Gerald Thompson）（Stanley Gerald Thompson）、小肯尼斯·史翠特（英语：Kenneth Street, Jr.）、阿伯特·吉奥索及格伦·西奥多·西博格在伯克利加州大学首次发现了锎元素。[8]锎是第六个被发现的超铀元素。研究小组在1950年3月17日发布了该项发现。[9][10][11]

美国加州伯克利的1.5米直径回旋加速器将α粒子（4
2He
）加速至35 MeV能量，射向一微克大小的锔-242目标，以此产生了锎-245（245
98Cf
）和一颗自由中子（
n
）。[8]

242
96Cm
 + 4
2He
 → 245
98Cf
 + 1
0
n

这次实验只产生了大约5千个锎原子，[12]这些原子的半衰期为44分钟。[8]

该新元素以加州和加州大学命名为Californium。这和95至97号元素的命名方式有所不同：第95至97号锕系元素是利用类似于其上方的镧系元素之命名方式而命名的。[13][注 1]但是位于98号元素之上的镝（Dysprosium）名称原意为“难取得”，所以研究人员决定打破这项非正式的命名规律。[15]不过在期刊物理评论上公布98号元素的发现时，他们对此有所说明：“我们要指出一点，镝（Dysprosium）这个名字是由一个希腊字变来的，意思是‘很难达到’；而在一个世纪以前，寻找另一种元素的人们（指淘金者）觉得加州是个难以达到的地方。”[16][14]

海峡两岸对此元素的汉字命名均遵从音译原则。1951年，中国大陆《化学命名原则》修订时新增这一元素，并将其订名为“鐦”[17]，后《简化字总表》将其简化为“锎”，而非按照类推简化原则作“钘”，以防与表示酒器的“钘”相混淆。台湾则将其订名为“鉲”。

爱达荷国家实验室通过对钚目标体进行辐射，首次产生了重量可观的锎元素，并于1954年发布了研究结果。[18]产生的样本中能够观察到锎-252的高自发裂变率。1958年，科学家首次对浓缩锎进行了实验。[8]在对钚-239进行中子辐射连续5年之后，科学家在样本中发现了从锎-249到锎-252的各个同位素。[19]两年后的1960年，劳伦斯伯克利国家实验室的伯里斯·坎宁安（Burris Cunningham）和詹姆斯·沃尔曼（James Wallman）把锎置于蒸汽与盐酸中，第一次制成了锎的化合物——三氯化锎、氯氧化锎及氧化锎。[20]

1960年代，位于美国田纳西州橡树岭的橡树岭国家实验室利用其高通率同位素反应堆（英语：High Flux Isotope Reactor）（HFIR）产生了少量的锎。[21]到1995年为止，HFIR的实际锎年产量为500毫克。[22]在《1958英美共同防御协约（英语：1958 US-UK Mutual Defence Agreement）》下英国向美国提供的钚元素曾用于制造锎。[23]

美国原子能协会在1970年代初起向工业及学术机构销售锎-252同位素，每微克价格为10美元[24]，从1970至1990年每年一共售出150微克锎-252。[25][注 2]Haire和Baybarz于1974年用镧金属还原了氧化锎(III)，首次制成数微克重、厚度小于1微米的锎金属薄片。[26][27][注 3]

特性

物理特性

锎是一种银白色的锕系金属[19]，熔点为900 ± 30 °C，估计的沸点为1470 °C。[29]处于纯金属态时，锎是具延展性的，可以用刀片轻易切开。在真空状态下的锎金属到了300 °C以上时便会气化[30]。在51 K（−220 °C）以下的锎金属具铁磁性或亚铁磁性，在48至66 K时具反铁磁性，而在160 K（−110 °C）以上时具顺磁性[31]。它与镧系元素能够形成合金，但人们对其所知甚少[30]。

在一个大气压强下，锎有两种晶体结构：在900 °C以下为双层六方密排结构（称α型）[注 4]，接近室温时密度为15.10 g/cm3；[1]而另一种面心立方结构（β型）则在900 °C以上出现，密度为8.74 g/cm3[33]。在48 GPa的压强下，锎的晶体结构会由β型转变为第三种正交晶系结构。这是由于锎原子中的5f电子在此压强下会变成离域电子，这些自由电子能够参与键结的形成。[注 5][34]

锎的体积模量为50 ± 5 GPa，[注 6]这与三价的镧系金属相似，但比一些常见的金属低（如铝：70 GPa）。[34]

化学特性及化合物

主条目：锎化合物
锎的某些化合物[19][注 7]
氧化态 化合物 公式 颜色
+2 二溴化锎 CfBr2 黄色
+2 二碘化锎 CfI2 深紫色
+3 三氧化二锎 Cf2O3 黄绿色
+3 三氟化锎 CfF3 鲜绿色
+3 三氯化锎 CfCl3 翠绿色
+3 三碘化锎 CfI3 柠檬色
+4 二氧化锎 CfO2 棕黑色
+4 四氟化锎 CfF4 绿色

锎的化合价可以是4、3或2，也就是说一个锎原子能够形成2至4个化学键。[33]其化学属性预计将会类似于别的三价锕系元素，以及在元素周期表中位于锎以上的镝。[36][37]锎在室温下会在空气中缓慢地失去光泽，速度随着湿度的提高而加快。[33]锎可以和氢、氮和任何氧族元素加热进行反应，其中与不含湿气的氢或与水溶无机酸反应的速度极快。[33]

锎只有在处于锎(III)正离子状态才具有水溶性。科学家目前仍未能还原或氧化溶液中的+3离子[37]。锎在形成氯化物、硝酸盐、高氯酸盐及硫酸盐时易溶于水；形成氟化物、草酸盐或氢氧化物时则会沉淀。[36]

同位素

主条目：锎的同位素

目前已知的锎同位素共有20个，质量数从237到256不等，都是放射性同位素。其中最稳定的有锎-251（半衰期为898年）、锎-249（351年）、锎-250（13.08年）及锎-252（2.645年）。[38]其余的同位素半衰期都在一年以下，大部分甚至少于20分钟。[38]

锎-249是在锫-249进行β衰变后形成的。大部分其他的锎同位素是在核反应堆中对锫进行强烈的中子辐射后产生的。[37]虽然锎-251的半衰期最长，但是由于容易吸收中子（高中子捕获率）以及会与其它粒子产生反应（高中子截面），所以其产量只有10%。[39]

锎-252为强中子放射源，因此它的放射性极高，非常危险。[40][41][42]锎-252有96.9%的概率进行α衰变（损失两颗质子和两颗中子），并形成锔-248，剩余的3.1%概率进行自发裂变。[38]一微克（µg）的锎-252每秒释放230万颗中子，平均每次自发裂变释放3.7颗中子。[24]其他大部分的锎同位素都以α衰变形成锔的同位素（原子序为96）。[38]

存量

 
核试验已将少量的锎散落在环境当中。

由于所有锎同位素的半衰期都在898年以下，远远不足以从地球形成时（数十亿年前）存留至今。因此所有的原始的锎元素（地球形成时存在的锎）至今都已衰变殆尽了。

在使用锎进行探矿或医学治疗的设施附近可以发现痕量的锎。[43]锎不易溶于水，但会黏附在泥土上，所以泥土中锎的浓度可以比泥土粒子周围的水高出500倍。[44]

1980年之前大气层核试验的辐射落尘散落在环境中，其中含有少量的锎。[44]从空气中采得的核爆辐射落尘中曾被发现含有质量数为249、252、253和254的锎同位素。[45]

科学家曾认为超新星会产生锎，因为超新星物质的衰变符合254Cf的60天半衰期。[46]不过，之后的研究未能探测到锎谱线，[47]现在人们也一般认为超新星的光变曲线是符合镍-56的特征的。[48]

含铀量极高的矿藏中，重元素经中子捕获和β衰变之后，可能会自然产生痕量的锎，尽管这一点尚未得到证实。[44]从95号镅至100号镄的超铀元素，包括锎，都曾在位于加蓬奥克洛的天然核反应堆中自然产生，但至今已不再形成了。[49]

合成

参见：核燃料循环

锎可以在核反应堆和粒子加速器中产生。[50]锫-249（249
97Bk
）受中子撞击（中子捕获(n,γ)）后立即进行β衰变（β−），便会形成锎-250（250
98Cf
）。反应如下：[51]

249
97Bk
(n,γ)250
97Bk
 → 250
98Cf
 + β−

锎-250在受中子撞击后会产生锎-251和锎-252。[51]

对镅、锔和钚元素进行中子辐射可以制成数毫克的锎-252和数微克的锎-249。[52]直到2006年，科学家利用特殊的反应堆对锔-244至248进行中子辐射，主要产生出锎-252，另有较少的锎-249至255。[53]

经过美国核能管理委员会可以购得微克量的锎-252作商业用途。[50]世界上仅有两处生产锎的设施：位于美国的橡树岭国家实验室以及位于俄罗斯的核反应器研究所。到2003年为止，两座设施分别每年生产0.25克和0.025克的锎-252。[54]

设施还生产三个半衰期颇长的锎同位素，这需要铀-238捕获中子15次，期间不进行核裂变或α衰变。[54]从铀-238开始的核反应链经过几个钚同位素、镅同位素、锔同位素、锫同位素以及锎-249至253（见图）。

 
以中子辐射从铀-238产生锎-252的核反应路径图

应用

 
橡树岭国家实验室建造的50吨重运输桶，可运载最多1克的252Cf。[55]运输此类高放射性物质必须用到重型容器以避免意外。[56]

锎是目前在科学研究之外有实际用途的最重元素。锿及以上的元素由于半衰期太短，生产难度大，因此只能在实验室中用于合成更重的元素。

锎-252为一种强中子射源，有着几个应用的范畴。每微克的锎每分钟能够产生1.39亿颗中子。[24]因此锎可以被用作核反应堆的中子启动源（英语：neutron startup source）[33]或在中子活化分析中作为（非来自反应堆的）中子源。[57][注 8]在放射治疗无效时，子宫颈癌和脑癌的治疗目前用到了锎所产生的中子。[33]自从1969年萨瓦那河发电厂（英语：Savannah River Plant）（Savannah River Plant）向佐治亚理工学院借出119 µg的锎-252之后，锎一直用于教育。[59]

由于中子能够穿透物质，所以锎也可以用在探测器中，如燃料棒扫描仪，[33]使用中子射线照相术（英语：neutron radiography）来探测飞机和武器部件的腐蚀、问题焊接点、破裂及内部湿气，[60]以及便携式金属探测器等。[61]中子湿度计（英语：中子濕度計）利用锎-252来寻找油井中的水和石油，为金银矿的实地探测提供中子源，[37]以及探测地下水的流动。[62]1982年锎-252的主要用途按用量比例分别为：反应堆启动源（48.3%）、燃料棒扫描仪（25.3%）及活化分析（19.4%）。[63]到了1994年，大部分的锎-252都用于中子射线照相（77.4%），而燃料棒扫描仪（12.1%）和反应堆启动源（6.9%）则成了次要的应用范围。[63]

锎-251的临界质量很低（约为5 kg），[64]但人们也曾低估其临界质量，[65]并夸大其临界质量较低的特性的潜在用途。[注 9]

2006年10月，位于俄罗斯杜布纳的联合核研究所研究人员宣布成功合成3颗Og（118号元素）原子。他们利用钙-48撞击锎-249，产生了这个目前最重的元素。该次实验的目标体是一片面积为32 cm2、含有10 mg锎-249的钛薄片。[67][68][69]其它用到锎来合成的超铀元素还包括1961年以硼原子核撞击锎所形成的铹元素。[70]

安全

如同其他镧系及锕系元素，锎在生物体中不发挥任何生物学功用。[43]累积在骨骼组织里的锎会释放辐射，破坏身体制造红血球的能力。[71]由于放射性很强，锎对生物体有着极高的毒性。

在进食受锎污染的食物或饮料，或吸入含有锎的悬浮颗粒之后，锎就会进入体内。在身体里，只有0.05%的锎会进入血液里，其中的65%会积累在骨骼中，肝脏25%，其余的主要通过排尿排出身体。骨骼和肝脏中积累的锎分别会在50年和20年后消失。锎会首先附在骨骼的表面，之后会慢慢蔓延到骨骼的各个部分。[44]

一旦进入体内，锎会造成很大的损害。另外，锎-249和锎-251能释放伽马射线，对外表组织造成伤害。锎所释放的电离辐射在骨骼和肝脏中可致癌。[44]

注释

  1. ^ 铕（Europium）是以发现时所在的大陆（欧洲，Europe）命名的，因此对下的95号元素镅（Americium）以美洲命名（America）；钆（Gadolinium）是以科学家、工程师约翰·加多林（英语：Johan Gadolin）（Johan Gadolin）命名的，所以96号元素锔（Curium）以玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）命名；铽（Terbium）是以发现地伊特比（Ytterby）命名的，所以97号元素锫（Berkelium）以发现地伯克利（Berkeley）命名。[14]
  2. ^ 《1974年能源组织改组法》实施后，美国核能管理委员会取代美国原子能协会，并提高了锎-252的价格。到了1999年，每微克锎-252的售价为60美元。这价格不包括封装及运输的费用。[24]
  3. ^ 1975年的另一篇论文指出，前一年制成的锎金属实际上是六方型化合物Cf2O2S及面心立方型化合物CfS。[28]科学家在1976年证实了1974年的实验结论，并继续对锎金属进行研究。[26]
  4. ^ 双层六方密排结构（dhcp）的晶胞由位于同一个六边形平面上的两个六边形密排结构组成，因此dhcp结构的顺序为ABACABAC。[32]
  5. ^ 质量较低的三种超钚元素（镅、锔、锫）要使5f电子离域所需的压强更低得多。[34]
  6. ^ 物质的体积模量指的是产生单位相对体积收缩所需的压强。
  7. ^ 其他+3氧化态还包括硫化物及茂金属。[35]具+4态的化合物是强氧化剂，具+2态的则为强还原剂。[19]
  8. ^ 由于体积较小，产生的热量和气体也较少，所以锎-252在1990年便已取代了钚-铍中子源。[58]
  9. ^ 1961年7月版的《科技新时代》一篇名为“第三次世界大战的事实与谬论”一文中写道：“一个由锎做成的原子弹可以比一个手枪子弹更小。你可以自制一支含六发子弹的手枪，其射出的子弹在接触目标后能够释放10吨TNT炸弹的力量。”[66]

参考文献

引用

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书籍

外部链接

 
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