超鈾元素研究的最新發展


1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：超鈾元素研究的最新發展＃作者：西博格主講彭旭明整理．圖：西博格．圖：核穩定度的區域，在「山脊」上的是穩定核子，標示的數字是「奇異數」（magic number）。		超鈾元素研究的最新發展【摘要】本文係1951年諾貝爾化學獎得獎人西博格，於去年十二月一日在中央研究院原子分子研究所的講演。目前超鈾元素係指原子序自93～109的元素。本文將著重於介紹1980年代，有關較重超鈾元素之化學性質的研究。從1980年起，這些元素中到Es（鑀，原子序99）所進行實驗的使用量是在可稱重的範圍內，接下去到Ha（，原子序105，註一）的實驗，卻是在不可稱重的極微量的狀況下進行的，例如研究Lr（鐒，原子序103）及Ha時，一群美國、西德及瑞士的科學家們，就是在一個個原子的微量下進行的。有關Lr在水溶液中化學性質的探討，最早是美國柏克萊加州大學利用88吋迴旋加速器以¹⁸O離子撞擊²⁴⁹Bk（，原子序97）而產生了²⁶⁰Lr，其半衰期為三分鐘，這些實驗確定了²⁶⁰Lr為正三價，並測知了Lr⁺³之離子半徑，由離子交換管柱發現，Lr的離子半徑與Er（鉺，原子序68）之離子半徑很接近，此外Lr⁺³無法還原成正二價或正一價，其還原電位比-0.44V還要低。由聯線氣相色層分析（online gas chromatography）實驗顯示：在還原狀況下，Lr不是一揮發性的元素。關於Ha（）的最早研究，是用半衰期才34秒的²⁶²Ha來做的，也是美國柏克萊大學的88吋迴旋加速器，以¹⁸O離子撞擊²⁴⁹Bk而產生的。他們研究了Ha水溶液的化性，將其與Nb（鈮，原子序41）及Ta（鉭，原子序73）比較，而得知Ha最穩定的氧化態為正五價，即Ha⁺⁵。然而由氣相實驗顯示，Ha的鹵化物錯合性質與Ta、Nb是不相同的。半衰期為20.1小時的²⁵⁵Fm（鐨，原子序100），經美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory,ORNL）的研究，知其為一正二價的金屬，且在已知的錒系元素中是揮發性最高的。美國勞倫斯柏克萊實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory, LBL），將Cm⁺³（鋦，原子序96）置於LuPO₄（磷酸鎦）之單晶中﹐，而探討其電子順磁共振光譜（EPR），與鑭系中的Gd（釓，原子序64）相比較，發現二者有類似之處，但Cm有較大的自轉軌域分裂（spin orbit splitting）： Cm⁺³/LuPO₄ Gd⁺²/LuPO₄ 5f⁷J_5f=2903cm^-1 4f⁷J_4f=1513 cm^-1 此外，橡樹嶺國家實驗室也由吸收光譜及聲子拉曼光譜（phonon Raman spectra），探討了Bk、Cf（鉲，原子序98）及Es，各元素化合物的氧化態及結晶構造。更有趣的是，他們設計了特殊儀器以加壓的方法，使原本需時數年的BkCl₃衰變，在短短數小時內完成，衰變後形成的CfCl₃保有BkCl₃之晶體形式，因而做成了新的CfCl₃結晶形。亞崗國實驗室（Argonne National Laboratory, ANL）亦不落人後，他們做出了Bk⁺⁴的雷射感應螢光譜（Laser-induced fluorescence-spectra），測量了Am（鋂，原子序95）、Cm、Cf的三價氧化物（sesquioxides）之生成焓（enthalpy of formation），並率先以脈衝輻射分析（pulse radioanalysis）做出Bk⁺²。同時洛沙拉摩斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory），也定出Bk之氧化還原性質。勞倫斯柏克萊實驗室定出Md⁺³（鍆，原子序101）之離子半徑。杜布那實驗室（Dubna Laboratory）測定了Rf（，原子序104，註二）的揮發性。依現有資料，可預測原子序107、108、109之元素，最長的半衰期可能在微秒的範圍內。若以滿層組態（close shell）的觀念來看，質子具滿層組態的元素有穩定性，而質子、中子均具滿層組態的元素最穩定（見圖）。質子的滿層組態數為28、50、82、114。而中子的滿層組態數為28、50、82、126、184及196。具有這種條件的元素必然穩定。若能使這些高原子序的元素合於上述條件，即可增長其半衰期及產量，進而達成其化性的研究，但技術上是相當困難的。由現有週期表經外插法，亦可預測下一個鈍氣體應為原子序118之元素，再下一個則為168的液體，它的沸點預期為室溫上下。這些原子序更高的元素，是不可能得到的，原因有二：一、它們的半衰期更短；二、缺乏合成它們的方法。最樂觀的看法也只能做到原子序115的元素。今年（1989年）恰為發現超鈾元素的五十周年紀念，實在值得化學界予以慶賀一番呢！彭旭明任教於台灣大學化學系註一：根據IUPAC的命名，應為Unp。註二：IUPAC的新命名為Unq。
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1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：超鈾元素研究的最新發展＃作者：西博格主講彭旭明整理．圖：西博格．圖：核穩定度的區域，在「山脊」上的是穩定核子，標示的數字是「奇異數」（magic number）。		超鈾元素研究的最新發展【摘要】本文係1951年諾貝爾化學獎得獎人西博格，於去年十二月一日在中央研究院原子分子研究所的講演。目前超鈾元素係指原子序自93～109的元素。本文將著重於介紹1980年代，有關較重超鈾元素之化學性質的研究。從1980年起，這些元素中到Es（鑀，原子序99）所進行實驗的使用量是在可稱重的範圍內，接下去到Ha（，原子序105，註一）的實驗，卻是在不可稱重的極微量的狀況下進行的，例如研究Lr（鐒，原子序103）及Ha時，一群美國、西德及瑞士的科學家們，就是在一個個原子的微量下進行的。有關Lr在水溶液中化學性質的探討，最早是美國柏克萊加州大學利用88吋迴旋加速器以¹⁸O離子撞擊²⁴⁹Bk（，原子序97）而產生了²⁶⁰Lr，其半衰期為三分鐘，這些實驗確定了²⁶⁰Lr為正三價，並測知了Lr⁺³之離子半徑，由離子交換管柱發現，Lr的離子半徑與Er（鉺，原子序68）之離子半徑很接近，此外Lr⁺³無法還原成正二價或正一價，其還原電位比-0.44V還要低。由聯線氣相色層分析（online gas chromatography）實驗顯示：在還原狀況下，Lr不是一揮發性的元素。關於Ha（）的最早研究，是用半衰期才34秒的²⁶²Ha來做的，也是美國柏克萊大學的88吋迴旋加速器，以¹⁸O離子撞擊²⁴⁹Bk而產生的。他們研究了Ha水溶液的化性，將其與Nb（鈮，原子序41）及Ta（鉭，原子序73）比較，而得知Ha最穩定的氧化態為正五價，即Ha⁺⁵。然而由氣相實驗顯示，Ha的鹵化物錯合性質與Ta、Nb是不相同的。半衰期為20.1小時的²⁵⁵Fm（鐨，原子序100），經美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory,ORNL）的研究，知其為一正二價的金屬，且在已知的錒系元素中是揮發性最高的。美國勞倫斯柏克萊實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory, LBL），將Cm⁺³（鋦，原子序96）置於LuPO₄（磷酸鎦）之單晶中﹐，而探討其電子順磁共振光譜（EPR），與鑭系中的Gd（釓，原子序64）相比較，發現二者有類似之處，但Cm有較大的自轉軌域分裂（spin orbit splitting）： Cm⁺³/LuPO₄ Gd⁺²/LuPO₄ 5f⁷J_5f=2903cm^-1 4f⁷J_4f=1513 cm^-1 此外，橡樹嶺國家實驗室也由吸收光譜及聲子拉曼光譜（phonon Raman spectra），探討了Bk、Cf（鉲，原子序98）及Es，各元素化合物的氧化態及結晶構造。更有趣的是，他們設計了特殊儀器以加壓的方法，使原本需時數年的BkCl₃衰變，在短短數小時內完成，衰變後形成的CfCl₃保有BkCl₃之晶體形式，因而做成了新的CfCl₃結晶形。亞崗國實驗室（Argonne National Laboratory, ANL）亦不落人後，他們做出了Bk⁺⁴的雷射感應螢光譜（Laser-induced fluorescence-spectra），測量了Am（鋂，原子序95）、Cm、Cf的三價氧化物（sesquioxides）之生成焓（enthalpy of formation），並率先以脈衝輻射分析（pulse radioanalysis）做出Bk⁺²。同時洛沙拉摩斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory），也定出Bk之氧化還原性質。勞倫斯柏克萊實驗室定出Md⁺³（鍆，原子序101）之離子半徑。杜布那實驗室（Dubna Laboratory）測定了Rf（，原子序104，註二）的揮發性。依現有資料，可預測原子序107、108、109之元素，最長的半衰期可能在微秒的範圍內。若以滿層組態（close shell）的觀念來看，質子具滿層組態的元素有穩定性，而質子、中子均具滿層組態的元素最穩定（見圖）。質子的滿層組態數為28、50、82、114。而中子的滿層組態數為28、50、82、126、184及196。具有這種條件的元素必然穩定。若能使這些高原子序的元素合於上述條件，即可增長其半衰期及產量，進而達成其化性的研究，但技術上是相當困難的。由現有週期表經外插法，亦可預測下一個鈍氣體應為原子序118之元素，再下一個則為168的液體，它的沸點預期為室溫上下。這些原子序更高的元素，是不可能得到的，原因有二：一、它們的半衰期更短；二、缺乏合成它們的方法。最樂觀的看法也只能做到原子序115的元素。今年（1989年）恰為發現超鈾元素的五十周年紀念，實在值得化學界予以慶賀一番呢！彭旭明任教於台灣大學化學系註一：根據IUPAC的命名，應為Unp。註二：IUPAC的新命名為Unq。
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