𨭆是8族中最重的元素,實驗證明,𨭆是典型的8族過渡金屬,具穩定的+8氧化態,能形成揮發性四氧化物,類似於同族的鋨。
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基于澳大利亚国立大学的计算,核聚变未成功的可视化 |
超重元素的原子核是在两个不同大小的原子核的聚变中产生的。粗略地说,两个原子核的质量之差越大,两者就越有可能发生反应。由较重原子核组成的物质会作為靶子,被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候,才能聚变成一个原子核。原子核都带正电荷,会因为静电排斥力而相互排斥,所以只有两个原子核的距离足够短时,强核力才能克服这个排斥力并发生聚变。粒子束因此被粒子加速器大大加速,以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。施加到粒子束上以加速它们的能量可以使它们的速度达到光速的十分之一。但是,如果施加太多能量,粒子束可能会分崩离析。
不过,只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变:当两个原子核逼近彼此时,它们通常会融為一體约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),而非形成单一的原子核。这是因为在尝试形成单个原子核的过程中,静电排斥力会撕开正在形成的原子核。每一对目标和粒子束的特征在于其截面,即两个原子核彼此接近时发生聚变的概率。这种聚变是量子效应的结果,其中原子核可通过量子穿隧效應克服静电排斥力。如果两个原子核可以在该阶段之后保持靠近,则多个核相互作用会导致能量的重新分配和平衡。
两个原子核聚变产生的原子核处于非常不稳定,被称为复合原子核的激发态。复合原子核为了达到更稳定的状态,可能会直接裂变,或是放出一些中子来带走激发能量。如果激发能量太小,无法放出中子,复合原子核就会放出γ射线来带走激发能量。这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生,并创造出更稳定的原子核。原子核只有在10−14秒内不衰变,IUPAC/IUPAP联合工作小组才会认为它是化学元素。这个值大约是原子核得到它的外层电子,显示其化学性质所需的时间。
粒子束穿过目标后,会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核,它就会存在于这个粒子束中。在分离室中,新的原子核会从其它核素(原本的粒子束和其它反应产物)中分离,到达半导体探测器后停止。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。这个转移需要10−6秒的时间,因此原子核需要存在这么长的时间才能被检测到。若衰变發生,衰變的原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。
原子核的稳定性源自于强核力,但强核力的作用距离很短,随着原子核越来越大,强核力对最外层的核子(质子和中子)的影响减弱。同时,原子核会被质子之间,范围不受限制的静电排斥力撕裂。强核力提供的核结合能以线性增长,而静电排斥力则以原子序数的平方增长。后者增长更快,对重元素和超重元素而言变得越来越重要。超重元素理论预测及实际观测到的主要衰变方式,即α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子,而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。有限位势垒在这两种衰变方式中抑制了原子核衰变,但原子核可以隧穿这个势垒,发生衰变。
放射性衰变中常产生α粒子是因为α粒子中的核子平均质量足够小,足以使α粒子有多余能量离开原子核。自发裂变则是由静电排斥力将原子核撕裂而致,会产生各种不同的产物。随着原子序数增加,自发裂变迅速变得重要:自发裂变的部分半衰期从92号元素铀到102号元素锘下降了23个数量级,从90号元素钍到100号元素镄下降了30个数量级。早期的液滴模型因此表明有约280个核子的原子核的裂变势垒会消失,因此自发裂变会立即发生。之后的核壳层模型表明有大约300个核子的原子核将形成一个稳定岛,其中的原子核不易发生自发裂变,而是会发生半衰期更长的α衰变。随后的发现表明预测存在的稳定岛可能比原先预期的更远,还发现长寿命锕系元素和稳定岛之间的原子核发生变形,获得额外的稳定性。对较轻的超重核素以及那些更接近稳定岛的核素的实验发现它们比先前预期的更难发生自发裂变,表明核壳层效应变得重要。
α衰变由发射出去的α粒子记录,在原子核衰变之前就能确定衰变产物。如果α衰变或连续的α衰变产生了已知的原子核,则可以很容易地确定反应的原始产物。因为连续的α衰变都会在同一个地方发生,所以通过确定衰变发生的位置,可以确定衰变彼此相关。已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别,例如衰变能量(或更具体地说,发射粒子的动能)。然而,自发裂变会产生各种分裂产物,因此无法从其分裂产物确定原始核素。
嘗試合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息,即原子核到达探测器的位置、能量、时间以及它衰变的信息。他们分析这些数据并试图得出结论,確認它确实是由新元素引起的。如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论,且对观察到的现象没有其它解释,就可能在解释数据时出现错误。1984年,由彼得·安布鲁斯特和哥特佛萊德·明岑貝格領導的研究隊於德國達姆施塔特重離子研究所首次進行了𨭆的合成反應。團隊以58Fe原子核撞擊鉛目標體,製造出3個265Hs原子,反應如下:
IUPAC/IUPAP超鐨元素工作組在1992年的一份報告中承認,重離子研究所是𨭆的正式發現者。
𨭆曾經被稱為eka鋨。在命名爭議期間,IUPAC使用的臨時系統名稱是Unniloctium(符號為Uno),來自數字1、0、8的拉丁語寫法。
德國發現者在1992年正式提出使用Hassium作為108號元素的名稱,取自研究所所在地德國黑森州的拉丁語名(Hassia)。
1994年,IUPAC的一個委員會建議把元素108命名為Hahnium(Hn),雖然長期的慣例是把命名權留給發現者。在德國發現者抗議之後,1997年8月27日IUPAC正式對國際上分歧較大的101至109號元素的重新英文定名中,國際承認了現用名稱Hassium作為108號元素的命名。
全國科學技術名詞化學名詞審定委員會據此於1998年7月8日重新审定、公佈101至109號元素的中文命名,其中首次給出108號元素中文名:「𨭆」(hēi,音同「黑」),名稱根據IUPAC決定的英文名Hassium,源自發現該元素的德國重離子研究所所在的德國黑森州。
未來重要的實驗將會包括通過該對稱反應利用裂變碎片合成𨭆同位素。這條反應曾於2007在杜布納進行,但未探測到任何原子,截面限制為1 pb。一經證實,這種對稱聚變反應就應該算是熱核聚變,而非一開始認為的冷核聚變。這意味著,該反應用於合成超重元素的實際用途具有限制。
該反應於2002年5月在重離子研究所進行。不過,由於鋅-70粒子束的失敗,實驗被中斷了。
1978年位於杜布納的團隊首次報告了該反應。在1984年的一次實驗中,他們利用滾筒技術探測到了來自260Sg的一次自發裂變行為,而264Hs是其母同位素。同年進行的重復實驗中,他們用化學辨識衰變產物,從而證明了元素108的成功合成。所探測到的有253Es和253Fm的α衰變,這些都是265Hs的衰變產物。
在1984年正式發現𨭆元素的實驗中,重離子研究所的團隊使用了α衰變相關法,並辨認出3顆265Hs原子。在1993年改進設施之後,團隊在1994年重復進行了實驗,並在測量1n中子蒸發通道的部分激發函數時,探測到75個265Hs原子和2個264Hs原子。在1997年進行的另一次實驗中,測量到的1n通道的最大值為69 pb,另探測到20個原子。
理化學研究所於2002年的重復實驗成功製造出10個原子,而國家大型重離子加速器於2003年製造出7個原子。
理化學院究所的團隊於2008年再次研究該反應,以對264Hs作出首次的光譜分析。他們另又發現29個265Hs原子。
1984年在杜布納進行的實驗首次使用Pb-207目標。團隊探測到與使用Pb-208時的實驗相同的自發裂變,來自同位素260Sg,264Hs的子同位素。位於重離子研究所的團隊首次於1986年研究這條反應,並使用α衰變相關法發現了單個264Hs原子,截面為3.2 pb。反應在1994年重復進行,同時探測到α衰變和自發裂變264Hs。
理化學研究所在2008年研究了該反應,以進行首次對264Hs的光譜分析。該團隊探測到11個原子。
勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊在2008年首次研究該反應,並製造及辨認出6個新發現的263Hs同位素原子。數月之後,理化學研究所的團隊也發佈了他們對同一條反應的研究結果。
理化學研究所的團隊在2008年首次研究了該反應,並識別出8個新發現的263Hs同位素原子。
最初對𨭆原子核的合成實驗使用的就是這條反應,由杜布納的一支團隊在1983年進行。他們使用滾筒技術,探測到來自255Rf的自發裂變,而該同位素是263Hs的衰變產物。1984年重復進行的實驗得到同樣的結果。1983年的另一次實驗當中,他們通過化學辨識衰變產物,從而支持𨭆的合成結果。探測到的有鐨同位素的α衰變,該鐨同位素是262Hs的衰變產物。這條反應之後一直沒有進行嘗試,因此262Hs的存在至今仍未證實。
位於Flerov核反應實驗室由Yuri Oganessian領導的團隊聲稱在1978年曾研究過這條反應,但實驗結果沒有發佈在任何文獻當中。該反應於2008年6月在同一實驗室重復進行,結果探測到4個270Hs同位素原子,產量為9 pb。該同位素的衰變數據得到証實後,發現α能量稍微更高。2009年1月,團隊重復進行實驗,再探測到2個270Hs原子。
這條反應首次再1987年於杜布納進行。探測方式為自發裂變,但並未發現任何成功地反應,截面限制為2 pb。
該反應使用罕見且昂貴的36S同位素,於2008年4月至5月在重離子研究所進行。初步結果顯示,實驗探測到1個270Hs原子,產量為0.8 pb。數據証實了270Hs和266Sg的衰變特性。
1994年3月,位於杜布納由Yuri Lazerev領導的團隊宣佈在5n中子蒸發通道探測到3個267Hs原子。在重離子研究所的團隊在同時研究鐽的時候証實了𨭆同位素的衰變特性。
這項實驗於2009年1月至2月在重離子研究所進行,用以發現新同位素268Hs。由Nishio教授領導的團隊探測到1個268Hs和1個267Hs原子。新發現的同位素經過α衰變後形成已知的264Sg同位素。
重離子研究所與保羅謝爾研究所的合作團隊研究了鋦-248和鎂-26離子之間的反應。在2001年5月到2005年8月期間,團隊研究了產生269Hs、270Hs及271Hs的3n、4n及5n中子蒸發通道的激發函數。2006年12月,慕尼黑工業大學的科學團隊發佈了合成270Hs同位素的重要結果。報告指出,該同位素經α衰變,能量為8.83 MeV,預計半衰期約為22秒,形成266Sg。
這條新的反應在2006年7月至8月由重離子研究所用於合成新的同位素268Hs。從中子蒸發通道未能探測到任何原子,計算的界面限制為1 pb。
杜布納的團隊在1983年研究了該反應,並用自發裂變作出探測。探測到的幾次短期自發裂變活動證明了𨭆原子核的生成。
同位素 | 半衰期 | 衰变方式 | 发现年份 | 发现方法 | |
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数值 | 来源 | ||||
263Hs | 900 μs | α | 2009年 | 208Pb(56Fe,n) | |
264Hs | 700 ms | α, SF | 1986年 | 207Pb(58Fe,n) | |
265Hs | 1.96 ms | α | 1984年 | 208Pb(58Fe,n) | |
265mHs | 360 μs | α | 1995年 | 208Pb(58Fe,n) | |
266Hs | 3.0 ms | α, SF | 2001年 | 270Ds(—,α) | |
266mHs | 280 ms | α | 2011年 | 270mDs(—,α) | |
267Hs | 55 ms | α | 1995年 | 238U(34S,5n) | |
267mHs | 990 μs | α | 2004年 | 238U(34S,5n) | |
268Hs | 1.4 s | α | 2010年 | 238U(34S,4n) | |
269Hs | 15 s | α | 1996年 | 277Cn(—,2α) | |
270Hs | 9 s | α | 2003年 | 248Cm(26Mg,4n) | |
271Hs | ~12 s | α | 2008年 | 248Cm(26Mg,3n) | |
272Hs | 160 ms | α | 2022年 | 276Ds(—,α) | |
273Hs | 510 ms | α | 2010年 | 285Fl(—,3α) | |
275Hs | 600 ms | α | 2004年 | 287Fl(—,3α) | |
277Hs | 18 ms | SF | 2010年 | 289Fl(—,3α) | |
277mHs | 130 s | SF | 2012年 | 293mLv(—,4α) |
目前已知的𨭆同位素有12個,全部都具有極高的放射性,半衰期極短,非常不穩定。其中壽命最長的是𨭆-269,半衰期約15秒。
同位素277Hs曾在一次自發裂變事件中被觀察到,其半衰期為較長的11分鐘左右。在281Ds的大部分衰變過程中都未能探測到該同位素,其唯一一次被探測到是在同質異構核281bDs的未經証實的一次衰變當中。其半衰期對基態核來說很長,因此它有可能屬於277Hs的一個同質異構核。另外在2009年,重離子研究所的團隊觀察到281aDs的α衰變分鏈產生了277Hs同位素,其後該同位素進行自發裂變,半衰期較短。測量到的半衰期接近基態同質異構核277aHs的預期值。要證實該同質異構核的存在,需進行進一步的研究。
勞倫斯伯克利國家實驗室於1999年聲稱合成元素118,反應期間出現273Hs同位素核子。他們聲稱該同位素以能量9.78及9.47 MeV進行α衰變,半衰期為1.2秒。該發現在2001年被撤回。這一同位素最終在2010年被合成,而所記錄的數據證明先前的數據是虛假的。
根據宏觀微觀理論,Z=108質子數是變形質子幻數,連同N=162的中子殼層。這代表這種原子核的基態是永遠變形的,但其裂變位壘高而窄,造成進一步變形,因此其自發裂變部分半衰期相對較長。此區域的自發裂變半衰期比接近球體雙重幻數的原子核298114小大約109倍。這是由於裂變位壘較窄,導致以量子隧穿效應穿越位壘的機率增加。另外,根據計算,N=162中子數是變形中子幻數,因此270Hs原子核很有可能是變形雙重幻數核。Z=110的同位素271Ds及273Ds的衰變數據,說明N=162支殼層有可能為幻數。對269Hs、270Hs和271Hs的合成實驗也指出N=162是幻數閉殼層。270Hs的低衰變能量與計算的完全相符。
證明Z=108質子殼層的幻數特性的證據有以下兩點:
對於自發裂變,有必要測量同中子異位素核268Sg、270Hs和272Ds的半衰期。由於𬭳和鐽的這兩個同位素還是未知的,而270Hs的衰變還未經過測量,因此該方法目前能夠用來證實Z=108殼層的穩定性質。但Z=108的幻數特性可以從270Hs、271Ds及273Ds的α衰變能量間的大差距中推導出。測量272Ds的衰變能量能量後能夠得出更有力的證據。
對269Hs的直接合成產生了三條α線,於9.21、9.10及8.94 MeV。在277112的衰變當中,只觀察到能量為9.21 MeV的269Hs的α衰變,表示該衰變源自同質異能核。要證實這一點則需進一步研究。
已知267Hs進行α衰變,α線位於9.88、9.83和9.75 MeV,半衰期為52 ms。在合成271m,gDs的時候,觀察到額外的活動。包括一次0.94 ms,能量為9.83 MeV的α衰變,其餘還有更長的約0.8 s和約6.0 s的活動。這些活動來源現時不清,需要更多的研究得到證實。
對265Hs的合成也證明兩個能級的存在。基態進行能量為10.30 MeV的α衰變,半衰期為2.0 ms。其同質異能態能量比基態高300 keV,進行10.57 MeV的α衰變,半衰期為0.75 ms。
𨭆預計為過渡金屬中6d系的第5個元素及8族中最重的元素,在週期表中位於鐵、釕和鋨之下。該族中的後兩個元素表現出的氧化態為+8,而這種氧化態在族中越到下方越為穩定。因此𨭆的氧化態應為+8。鋨同時還有穩定的+5、+4及+3態,其中+4態最為穩定。而釕則同時有+6、+5及+3態,當中+3態最為穩定。𨭆也因此預計擁有穩定的低氧化態。
第8族元素獨特的氧化物化學使對𨭆元素特性的推算更為容易。同族較輕的元素都已知擁有或預測擁有四氧化物,MO4。一直向下,該族的氧化力逐漸下降:FeO4並不存在,因為極高的電子親合能使其形成常見的FeO42−。釕(VI)在酸中經過氧化後形成四氧化釕,RuO4,而四氧化釕經過還原反應後形成RuO42−。釕金屬在空氣中氧化後形成二氧化釕,RuO2。對比之下,鋨燃燒後產生穩定的四氧化鋨,OsO4,然後與氫氧根離子產生配合物[OsO4(OH)2]2−。因此,作為鋨對下的元素,𨭆應該會形成揮發性四氧化𨭆,HsO4,再與氫氧根離子配合形成[HsO4(OH)2]2−。
𨭆預計體積密度為41 g/cm3,是所有118個已知元素中最高的,幾乎為鋨的兩倍,而鋨是目前已測量的元素中密度最高的,有22.6 g/cm3。這是由於𨭆擁有高原子量,並加上鑭系與錒系收縮效應和相對論性效應,但是真正製造足夠𨭆元素以測量其密度是不可行的,因為樣本會即刻進行衰變。
𨭆的電子排佈預計為[Rn]5f14 6d6 7s2,因此𨭆應會產生揮發性四氧化物HsO4。其揮發性是由於該分子的四面體形。
對𨭆的首次化學實驗在2001年進行,運用了熱色譜分析法,以172Os作為參照物。利用反應248Cm(26Mg,5n)269Hs,實驗探測到5個𨭆原子。產生的原子在He/O2混合物中經過熱能化及氧化後產生氧化物。
所測量到的熱離解溫度表示四氧化𨭆的揮發性比四氧化鋨低,同時也肯定了𨭆的特性屬於8族。
為了進一步探測𨭆的化學屬性,科學家決定研究四氧化𨭆與氫氧化鈉間產生的𨭆酸鈉的反應。該反應是鋨的一條常見反應。在2004 年,科學家公佈成功進行了第一次對𨭆化合物的酸鹼反應:
公式 | 名稱 |
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HsO4 | 四氧化𨭆 |
Na 2[HsO 4(OH) 2] | 𨭆酸鈉、二羥基四氧𨭆酸鈉 |
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