𬭛

放射性元素

(英文名称Bohrium),一种人工合成的放射性元素,在 元素周期表 中,𬭛是位于d区块的过渡金属,位于第七周期第ⅦB族,元素符号Bh,原子序号107号, 核外电子排布为2,8,18,32,32,13,2。

原苏联的 杜布纳 实验室于1976年宣布合成了107号元素,但科学界对他们提供的论证表示怀疑。1981年3月, 德国 达姆斯塔特( Darmstadt )重离子研究所成功地合成了6个第107号元素的原子。1989年又公布了他们的第二批合成实验结果。1994年 国际纯粹与应用化学联合会 ( IUPAC )依据"关于超馈元素名称与符号的建议",将107号元素命名为 Bohrium ,元素符号为 Bh,中文名称𬭛,以纪念丹麦物理学家 尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr)对核物理学的重要贡献。 在正常条件下,𬭛(Bohrium)预计是固态,最新的计算表明其密度约为26-27g/cm 3 。 正式发现了的𬭛 同位素 有11种, 质量数 分别为260–262、264–267、270–272、274, 其所有同位素的 半衰期 都很短,仅为1×10 ﹣3 ~2×10 ﹣3 s,非常不稳定,其中寿命最长的是 270 Bh,半衰期仅约61秒。 根据其他同族元素的化学性质,预计𬭛能形成挥发性的七 氧化物 Bh₂O₇ , 氯化物 BhO₃Cl,氧 氟化物 的形成也是有可能的。

𬭛是一种放射性极强的超重元素及 系后元素,是由重离子 核反应 在加速器中制备的,寿命很短,产额极低,所得的原子数很少,给 化学 鉴定带来很多困难,关于𬭛的性质只能依赖预测。

发现历史

发现

1976年 苏联 杜布纳 联合核子研究所的奥格尼谢(Y.T.Oganessian )等人用 54 Cr离子轰击 209  Bi 的靶核,实现下列 核反应 209 Bi(  54 Cr ,2n) 261 107,声称合成了107号元素的一种 同位素 。但科学界对他们提供的论证表示怀疑。为此,促使国际物理学家团体制定了一个确定合成一种新元素必须符合的一系列规范。

1981年3月, 德国 达姆斯塔特( Darmstadt )重离子研究所经过五年的努力,用重离子直线加速器加速的 54 Cr 离子轰击  209 Bi 靶,成功地合成了6个第107号元素的原子。新元素的寿命很短,经过连续的 α 衰变后,依次衰变成第105号元素, (Lr)和 (Md)而得到鉴定。

数据满足规范的要求而得到承认。1989年又公布了他们的第二批合成实验结果。1994年 国际纯粹与应用化学联合会 ( IUPAC )依据"关于超馈元素名称与符号的建议",将107号元素命名为 Bohrium ,元素符号为 Bh,中文名称𬭛,以纪念丹麦物理学家 尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr)对核物理学的重要贡献。

提出的命名

𬭛是在"冷" 核聚变 条件下制造的第一种元素,在这种条件下,轰击目标的离子的能量相对较低。在𬭛的发现中,使用了低能量铬离子轰击 。1976年, 杜布纳 的科学家首次宣布了这一发现。他们最初把这种元素命名为" neilsbohrium ",符号为 Ns。IUPAC 对他们的发现持怀疑态度,更认可1981年德国科学家在 达姆施塔特 的亥姆霍兹重离子研究中心( Gesellschaft fur Schwerionenforschung , GSI )实验室的发现。GSI 团队为了致谢杜布纳 (JINR) 科学家所做的开创性工作,选择了对方最初建议的命名。1992年, ILPAC 把元素的名称简化为" bohrium "符号变为Bh。

在104至106号元素命名争议的同时, 国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC)使用Unnilseptium(符号为Uns)作为临时的系统化命名。 1994年,IUPAC的一个委员会建议将107号元素命名为Bohrium(现名),而非Nielsbohrium,因为此前并没有以某科学家的全名为元素取名的先例。 发现者对此表示反对,并担心这样的名称会和硼(Boron)混淆,特别是两者的含氧 阴离子 的国际命名:Bohrate(𬭛酸盐)和Borate( 硼酸盐 )。这个问题交由IUPAC位于 丹麦 的分支处理,但最终的投票结果仍然决定使用Bohrium。鉴于国际上对104至107号元素名均存在较大分歧,1997年8月27日IU PAC 在协商后正式对101至109号元素的重新英文定名,其中Bohrium一名成为了国际承认的107号元素的命名。

全国科学技术名词化学名词审定委员会据此于1998年7月8日重新审定、公布101至109号元素的中文命名,其中首次给出107号元素中文名:“𬭛”(bō,音同“波”) ,名称源自IUPAC决定的英文名Bohrium,以纪念丹麦物理学家 尼尔斯·玻尔 。

结构

在正常条件下,𬭛(Bohrium)预计是固态,并且可能呈现出类似于其轻质同族元素 (Rhenium)的六角密堆积 晶体结构 (c/a = 1.62)。 𬭛的 原子半径 预计约为128pm ,Bh 原子中有 107 个电子,核外电子排布为2,8,18,32,32,13,2 ,由于7s轨道的 相对论 性稳定和6d轨道的不稳定,预测Bh + 离子的电子配置为[Rn] 5f 14 6d 4 7s 2 。 中性 Bh 的 基态 为 ,较低的激发组态为 。

理化性质

关于𬭛及其化合物的性质,实际测量的非常少;这是因为其生产极其有限且成本昂贵,以及𬭛(及其 前体 元素)衰变非常迅速的事实。已测量了一些单一的 化学 相关性质,但关于𬭛金属的性质仍然未知,只能依赖预测。

物理与原子特性

在正常条件下,𬭛(Bohrium)预计是固态,并且可能呈现出类似于其轻质同族元素铼(Rhenium)的六角密堆积 晶体结构 (c/a = 1.62)。根据早期的预测,𬭛的密度估计为37.1g/cm 3 ,但最新的计算表明其密度可能稍低,约为26-27g/cm 3 。

瑞士保罗谢勒研究所(PSI)的研究人员用 -22轰击 -249( 半衰期 为320天)这个靶是在伯克利实验室制备的。轰击之后,反应产物立即扫人一个称为在线自动气体分析器(OLGA)的等温装置中,在那里,反应产物在含氧 氯化氢 气体中生成分子。这些氯 氧化物 再通过一个色层谱仪塔,其间更易挥发的样品在较低的温度时通过。在这一装置中,𬭛-267显示,它在180℃时挥发。

𬭛的 原子半径 预计约为128pm。由于7s轨道的 相对论 性稳定和6d轨道的不稳定,预测Bh + 离子的电子配置为[Rn] 5f 14 6d 4 7s 2 ,这意味着它会放弃一个6d电子而不是7s电子,这与其轻质同族元素锰和 的行为相反。另一方面,铼则遵循其重同族元素𬭛的规律,优先放弃5d电子而不是6s电子,因为到了第六周期,相对论效应变得显著,这种效应导致了金的黄色和汞的低 熔点 。预计Bh 2+ 离子的电子配置为[Rn] 5f 14 6d 3 7s 2 ;与之相反,Re 2+ 离子的预计电子配置为[Xe] 4f 14 5d 5 ,这与锰和锝相类似。预计六配位七价𬭛的离子半径为58pm(相较之下,七价锰、锝和铼的离子半径分别为46、57和53pm)。五价𬭛的离子半径预计更大,约为83pm。

化学特性

𬭛预计是 元素周期表 中6d系过渡金属的第五个元素,也是7族元素中最重的一个,位于锰、锝和铼之下。该族的所有元素都拥有明显的+7氧化态,其稳定性随着质量的增加而提升。因此预计𬭛能形成稳定的+7氧化态,类似于其同族元素锰、锝和铼。尽管在 水溶液 中𬭛(VII)可能不稳定且易于还原为更稳定的𬭛(IV),但它可能也会表现出较低的+4价。 锝同时也有稳定的+4态,而铼拥有稳定的+4和+3态,因此,𬭛可能也会表现出这些较低的价态。 较高的+7价态更有可能存在于氧 阴离子 中,例如,BhO − ,类似于较轻的 高锰酸盐 、高锝酸盐和高铼酸盐。然而,在水溶液中的𬭛(VII)可能是不稳定的,可能会容易地被还原为更稳定的𬭛(IV)。

同位素

自1981年缪岑贝格等人首次合成107号元素的第一种同位素 262 Bh以来,接着又鉴定了 261 Bh,262Bh m 。2000年 美国 威尔克( P . A . Wilk ),格里高里奇等人合成了 266 Bh 和 267 Bh,加之在更重元素的衰变中观察到 264 Bh, 272 Bh 共6种同位素。中国近代物理研究所 核物理 工作者在2004年发现了 265 Bh。 正式发现了的𬭛同位素有11种, 质量数 分别为260–262、264–267、270–272、274,其中寿命最长的是𬭛-270, 半衰期 约61秒,而𬭛-262拥有已知的亚 稳态 。

如同其他高原子序的超重元素,𬭛的所有 同位素 都具有极高的放射性,寿命短暂,非常不稳定。𬭛的一些同位素已在实验室中成功合成,所用方法有两种:高速撞击两种 原子核 以产生 核聚变 ,或制造出更高的元素并观测其衰变产物。 这些同位素都会经α衰变,然而某些仍未被发现的𬭛同位素理论上会进行自发裂变。

稳定性与半衰期

较轻的𬭛同位素一般有较短的半衰期。 260 Bh、 261 Bh、 262 Bh、 262m Bh和 263 Bh的 半衰期 在100毫秒以下。同位素 264 Bh、 265 Bh、 266 Bh和 271 Bh较为稳定,半衰期在1秒左右,而 267 Bh和 272 Bh则有大约10秒的半衰期。质量最高的 同位素 最为稳定,其中 270 Bh和 274 Bh分别有大约61秒和54秒的半衰期。未知的 273 Bh和 275 Bh同位素预期将会有更长的半衰期,分别为90分钟和40分钟。值得注意的是,在被发现之前,理论预计的 274 Bh半衰期也长达90分钟左右,但最终实际只有54秒。

高质子量的 260 Bh、 261 Bh和 262 Bh是直接由冷核聚变产生的, 262m Bh和 264 Bh则是在鿏和 的衰变链中被发现的。 高中 子量的 266 Bh和 267 Bh是通过向锕系元素目标进行放射产生的。中子量最高的四个 同位素 270 Bh 、 271 Bh 、 272 Bh 和 274 Bh分别是在 282 Nh、 287 Mc和 288 Mc和 294 Nh的衰变链中发现的。后七个同位素的 半衰期 在8毫秒至1分钟不等。

同核异构体

262 Bh

𬭛的唯一一个确定的同核异构体出现在 262 Bh。直接和成 262 Bh会产生两种状态: 基态 和一个同核异能态。已证实,基态会经α衰变,放射的α粒子能量为10.08、9.82和9.76 MeV,半衰期为84毫秒。 激发态 也通过α衰变,放射的α粒子能量为10.37和10.24 MeV,半衰期为9.6毫秒。

化合物

𬭛元素一次只合成一个原子,而且 生产率 是非常低的,它的 半衰期 也很短,是在实验室里通过加速了的离子束轰击重靶核产生的,在所产生的反应产物中,有意义的 原子核 只占很小的一部分,是由几个中子蒸发而成的,在一天的束流时间内,菲利普回旋加速器只能得到三个𬭛原子,由于𬭛的极端稀有性和短暂的半衰期,这些化合物的存在和性质大多基于理论预测和相似元素的比较,而非直接实验测定。

2000年,保罗谢尔研究所的团队利用 267 Bh原子进行了化学反应。这些𬭛原子是Bk-249和Ne-22离子的融合产物。 这些原子在经过 热能 化后,与HCl/O 2 混合物 反应,并形成一种具挥发性的氯 氧化物 。这条反应也同时产生了同族的较轻元素锝( 同位素 为 108 Tc)及铼(同位素为 169 Re)。测量出来的 吸附 等温线明确指出一种挥发性氯氧化物的产生,其特性和氯 三氧化铼 相似。这证实𬭛是一个典型的7族元素。 该族的重元素会形成具挥发性的七氧化物M 2 O 7 ,所以𬭛应该会形成具挥发性的Bh 2 O 7 。这个氧化物应该会在水中溶解,形成高𬭛酸HBhO 4 。 在这个实验中,测量了锝、铼和𬭛的氧 氯化物 的吸附 ,与理论预测非常吻合,暗示了第7族中TcO 3 Cl > ReO 3 Cl > BhO 3 Cl挥发性氧氯化物的递减序列。

挥发性 氧化物 :类似于锰、锝和铼,𬭛预计能形成挥发性的七氧化物Bh₂O₇。这种氧化物应该能溶解在水中形成。

氧卤化物 :在氧化物的卤化过程中,铼和锝可以形成一系列的氧卤化物。例如,氧化物的氯化会形成氧 氯化物 MO₃Cl,因此预计𬭛也能形成BhO₃Cl。类似地,氧化物 化会产生MO₃F和MO₂F₃等氧 氟化物 ,而铼则另外会形成ReOF 5 和ReF 7, 因此对于𬭛来说,氧氟化物的形成也是有可能的,从而证实它会延续7族元素的 化学 特性。

合成

𬭛等超重元素的制备通常通过使用粒子加速器将两种较轻元素以高速相撞,从而触发 核聚变 反应来完成。这种方法适用于多数𬭛的 同位素 。然而,对于某些较重的同位素,只能在具有更高原子序数元素的衰变产物中发现它们。

核合成 可以根据所用能量的高低分为“热”和“冷”两类。在热核聚变反应中,低质量、高能的发射体朝着高质量目标(锕系元素)加速,产生处于高激发能的复核(约40至50 MeV),再裂变或蒸发出3至5颗中子。 在冷核聚变反应中,聚变所产生的复核有著低激发能(约10至20 MeV),因此这些产物的裂变可能性较低。复核冷却至 基态 时,会只射出1到2颗中子,因此产物的含中子量更高。 冷 核聚变 一词在此指的不是在室温下发生的核聚变反应(见冷核聚变)。

冷核聚变

联合原子能研究所、苏联科学核研究所和 莫斯科国立大学 的一个研究小组选择了合成106号元素的方法合成107号元素Bh。这个新元素的 同位素 可以通过Tl+Fe、Pb+Mn、Bi+Cr反应获得,而 反应的截面预期是最大的。这一合成方法的优点之一,在于用铅和铋作靶时没有重元素自发裂变的本底,也没有V-Cf的自发裂变的同质异能素的本底。因此,为了发现第107号元素Bh,采用鉴测自发裂变核的高灵敏度的快速方法。

用310厘米回旋加速挤得到能量为200MeV 离子束,强度为 离子/秒。在第一批实验中,用 54 Cr轰击 209 Bi靶,获得自发裂变的放射性物质, 半衰期 为5秒。 , 和 的交叉反应实验结果证实,观测到的放射性物质的产额附合形成了107号元素Bh时预期的规律。在进一步的实验中实验方法的速度有很大提高,用 54 Cr离子轰击 209 Bi时发现了短寿命的自发裂变的放射性物质,半衰期为1~2毫秒。在所有实验中它的产额和长寿命 同位素 ( 半衰期 为5秒)成正比。当形成105号元素Db的 和 反应中也发现了半衰期为5秒的放射性后,就得出结论,这一放射性是 261 Bh在蜕变后形成的 257 Db同位素的自发裂变的结果。

不过,之后的证据降低了 261 Bh的自发裂变支链,因此事件指定为𬭛的确定性也大大降低。指定为 的裂变事件之后改为指向 258 Db,而2毫秒长的自发裂变事件则指定为 258 Rf的33%电子捕获支链。 重离子研究所团队在1981年研究了这条反应,并成功发现𬭛。利用衰变母子体关系法,他们探测到5个 262 Bh原子。 1987年,来自 杜布纳 的内部报告指出,其团队曾经直接探测到 261 Bh的自发裂变。重离子研究所团队又在1989年进一步研究这条反应,并在测量1n和2n激发函数时,发现了新 同位素 261 Bh,但是并没有探测到 261 Bh的自发裂变支链。 2003年,他们利用新制造的 三氟化铋 (BiF 3 )目标继续进行研究,并取得更多有关 262 Bh及其衰变产物 258 Db的数据。2005年,由于质疑此前数据的准确性,位于劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的团队重新测量了1n激发函数。他们观测到18个 262 Bh原子和3个 261 Bh原子,并证实了 262 Bh的两个同核异构体。

2007年,LBNL的团队研究了类似的反应,首次使用铬-52发射体寻找最轻的𬭛 同位素 260 Bh:

研究人员成功探测到8个 260 Bh原子,它们经过α衰变形成 256 Db,期间放射的α粒子能量为10.16 MeV。这种能量显示N=152的闭核持续有著稳定的作用。

杜布纳 的团队在1976年在一系列利用冷核聚变产生新元素的实验中,研究了铅-208目标和锰-55发射体之间的反应:

他们观测到与铋-209和铬-54之间反应相同的自发裂变事件,并同样指向 261 Bh和 257 Db。之后的证据表示事件应该改为指向 258 Db和 258 Rf。 1983年,他们重新进行实验,并用到新的方法:测量经 化学 分离出的衰变产物的α衰变。研究人员探测到来自衰变产物 262 Bh的α衰变,加强证实𬭛 原子核 的成功合成。 位于LBNL的团队之后详细研究这条反应,并在2005年探测到33次 262 Bh的衰变及2个 261 Bh原子。这确定了这条反应释放一颗中子的激发函数,以及提供了有关两种 262 Bh同核异构体的光谱数据。2006年重复进行这条反应时研究了释放两颗中子的激发函数。该团队发现,释放一颗中子的反应的截面比使用 209 Bi目标的相应反应较高,与预期的相反。要得出其原因则需要进一步的研究。

热核聚变

位于中国兰州的近代物理中心(IMP)研究了 -243目标与镁-26发射体之间的反应,以合成新的 同位素 265 Bh,同时搜集有关 266 Bh的更多数据:

研究人员进行了两组实验,并测量了释放3、4或5颗中子的部分激发函数。

日本理化学研究所 的团队首次于2008年研究了锔-248目标和钠-23之间的反应,以了解 266 Bh的衰变属性。该同位素是他们所声称的鿭衰变链中的产物:

同位素 266 Bh进行α衰变,能量为9.05至9.23 MeV。这项结果在2010年得到进一步证实。

首次利用热 核聚变 尝试合成𬭛的实验是在1979年由 杜布纳 的团队进行的。他们使用氖-22发射体和锫-249目标:

该反应在1983年得到重复,与首次一样,研究团队并没有探测到任何来自𬭛 原子核 的自发裂变。更近期的实验利用热核聚变合成 高中 子数的稳定的𬭛 同位素 ,从而首次开始对𬭛进行化学研究。1999年,劳伦斯伯克利国家实验室的团队声称发现了长 半衰期 的 267 Bh(5个原子)和 266 Bh(1个原子)同位素。 两者之后都得到了证实。

作为衰变产物

𬭛也在更高原子序的元素衰变时作为产物被发现。鿏是其中一种这样的元素,它共有7个已知的同位素,全部都进行α衰变,形成𬭛原子核, 质量数 从262到274不等。鿏本身也可以是𬬭、鿭、 或鿬的衰变产物。至今发现的元素当中,除以上的之外没有别的可以衰变成𬭛。例如在2010年1月, 杜布纳 的研究团队通过Uns的α衰变链发现了𬭛-274。

参考资料

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