超鈾元素(transuranium elements)
/ trans-yoo-RAY-nee-um /
鈾,第 92 號元素,是地球上以任何可觀數量天然存在的最重元素。它之後的一切——錼、鈽、鋂、鋦,一直到錒系行的盡頭——都是超鈾元素,而它們幾乎全是人造的,在反應堆和加速器裡被召喚出來,因為它們衰變得太快,無法從地球形成之時存留至今。它們是我們製造出來、而非找到的元素。
它們是怎麼造出來的?第一條也是最重要的途徑是中子俘獲。把鈾-238 放進核反應堆強烈的中子通量中,某個原子核偶爾會吞下一個中子;所得的更重的核不穩定,發生貝塔衰變,其中一個中子變成質子,把元素在週期表上推高一位。做一次,鈾變成錼;再做一次,錼變成鈽。反覆的俘獲與衰變沿梯子爬到鋂和鋦,這正是這些元素以千克(鈽)到克或毫克(更重的那些)量級生產出來的方式。在化學上,超鈾元素是錒系:較輕的(錼、鈽)繼承了較早錒系靈活的多價化學,而從鋂往後,隨著 5f 電子沉入內部,它們漂向類鑭系的 +3 態。
它們的重要性從實用到日常再到警示。鈽-239 是分裂燃料和武器材料;鈽-238 是長壽命的熱源,數十年來為深空探測器供能;鋂-241 是許多家用煙霧探測器裡那個微小的放射源。誠實的提醒是真實的:這些元素劇烈放射、常具急性毒性,必須在屏蔽之後遙控操作,而其中最重的只以壽命僅幾秒的區區幾個原子存在——所以它們的「化學」有時是從幾個事件推斷出來,而非在燒瓶裡測出來。一個元素接一個元素地發現並命名它們,正是錒系概念和現代週期表底部被建立起來的過程。
一個常見的煙霧探測器裡含有一星點鋂-241——約 0.3 微克——這是一種由鈾在反應堆中經中子俘獲生成的超鈾元素。它的阿爾法粒子使一個小腔室裡的空氣電離;煙霧擾動那電離的空氣,便觸發警報。
鋂-241,一種超鈾元素,就坐在多數煙霧探測器裡。
錼和鈽確實以微乎其微的痕量天然存在,由鈾礦中的中子俘獲生成,所以「完全人工合成」略有誇大;但就一切實用目的而言,超鈾元素都是人造的。