f区:镧系与锕系

超铀元素(transuranium elements)

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铀,第 92 号元素,是地球上以任何可观数量天然存在的最重元素。它之后的一切——镎、钚、镅、锔,一直到锕系行的尽头——都是超铀元素,而它们几乎全是人造的,在反应堆和加速器里被召唤出来,因为它们衰变得太快,无法从地球形成之时存留至今。它们是我们制造出来、而非找到的元素。

它们是怎么造出来的?第一条也是最重要的途径是中子俘获。把铀-238 放进核反应堆强烈的中子通量中,某个原子核偶尔会吞下一个中子;所得的更重的核不稳定,发生贝塔衰变,其中一个中子变成质子,把元素在周期表上推高一位。做一次,铀变成镎;再做一次,镎变成钚。反复的俘获与衰变沿梯子爬到镅和锔,这正是这些元素以千克(钚)到克或毫克(更重的那些)量级生产出来的方式。在化学上,超铀元素是锕系:较轻的(镎、钚)继承了较早锕系灵活的多价化学,而从镅往后,随着 5f 电子沉入内部,它们漂向类镧系的 +3 态。

它们的重要性从实用到日常再到警示。钚-239 是裂变燃料和武器材料;钚-238 是长寿命的热源,数十年来为深空探测器供能;镅-241 是许多家用烟雾探测器里那个微小的放射源。诚实的提醒是真实的:这些元素剧烈放射、常具急性毒性,必须在屏蔽之后遥控操作,而其中最重的只以寿命仅几秒的区区几个原子存在——所以它们的「化学」有时是从几个事件推断出来,而非在烧瓶里测出来。一个元素接一个元素地发现并命名它们,正是锕系概念和现代周期表底部被建立起来的过程。

一个常见的烟雾探测器里含有一星点镅-241——约 0.3 微克——这是一种由铀在反应堆中经中子俘获生成的超铀元素。它的阿尔法粒子使一个小腔室里的空气电离;烟雾扰动那电离的空气,便触发警报。

镅-241,一种超铀元素,就坐在多数烟雾探测器里。

镎和钚确实以微乎其微的痕量天然存在,由铀矿中的中子俘获生成,所以「完全人工合成」略有夸大;但就一切实用目的而言,超铀元素都是人造的。

又称
transuranic elementsman-made actinides超铀元素人造锕系