化学与原子核相遇之处
到目前为止，你关于 f 区学到的一切都住在电子云里。本级前几篇向你展示了 镧系——那里埋藏的 4f 电子几乎不参与成键——以及 锕系——那里更外露的 5f 轨道让铀这样的前段成员能够攀上一整级 氧化态 的阶梯，而不像镧系那样只有单一占主导的 +3。这是电子的化学，也是货真价实的化学。但锕系还背着一重周期表中别处都没有的身份：它们的原子核不稳定。要彻底理解它们，你就得不去看轨道，而去看它们包裹在外面的那团致密的质子与中子之结。
一个重核就是一场拔河。强核力把相邻的质子与中子粘在一起，但只够得着寥寥几个近邻；而质子之间的电斥力却同时作用于每一对，不论相距多远。质子堆得足够多，长程斥力便开始占上风。这就是为什么铋以上没有稳定元素，为什么铀和钍具有放射性，也是为什么比铀更重的一切都已在地球上衰变殆尽、必须刻意制造出来。锕系的化学与其原子核的不稳定，并非两个被硬拼在一起的独立题目——它们是同一批元素的两个侧面，而本篇正是这两个侧面相遇的地方。
裂变：分裂铀与钚
有些重核不只是有放射性——它们是 可裂变的，意思是一个慢中子就能把它们干净利落地一分为二。教科书里的例子是铀-235。当一个游荡的中子粘到一个 U-235 核上，这团东西就胀得摇摇欲坠、撕裂成两个中等大小的碎片（比如钡和氪，尽管裂法不一），释放出一阵能量，并且——关键在于——吐出两到三个新中子。这些新中子能找到别的 U-235 核，把它们也劈开。这就是 链式反应：一场自我维持的级联，在动力反应堆里受控而温和，在武器里则瞬发而失控。天然铀有九成九以上是 U-238，它并不像那样容易裂变，所以反应堆燃料通常要 浓缩，把 U-235 的比例提到百分之几。
钚-239 是另一种伟大的可裂变燃料，它的来历是一段漂亮的核记账。当大量存在、不可裂变的 U-238 吞下一个中子时，它不会裂开；它变成 U-239，后者不稳定、发生 beta 衰变。在 beta 衰变中，一个中子变成质子并射出一个电子，所以每走一步质子数就加一。U-239 衰变成镎-239，再衰变成钚-239——在周期表上向上走两格，从 92 号到 93 号再到 94 号。于是一座以铀运行的反应堆，悄悄地在自己的燃料里孕育出钚。Pu-239 本身就可裂变，所以铀反应堆释放的能量中，有一部分实际上来自就地生成又就地烧掉的钚。
燃料循环与后处理
从单个原子核拉远镜头，你就看到了 核燃料循环——铀从摇篮到坟墓的全程，也是锕系无机化学真正大显身手的舞台。开采出的铀矿石经浸出、提纯成氧化铀精矿（著名的黄饼），再转化为易挥发的氟化物 UF6 以供浓缩，又做回固态 UO2 芯块，封进你在 d 区那篇里见过的不含铪的锆包壳。在反应堆里供能数年之后，乏燃料出来时是一座化学动物园：剩余的铀、新孕育的钚，还有一锅强放射性的裂变碎片，横跨周期表的大半。
把仍然有用的铀和钚从那团乱麻中重新拽出来，就是 后处理，它是人类建造过的最值得骄傲的分离化学示范之一。主流方法 PUREX 把乏燃料溶于热硝酸，然后利用锕系的氧化态阶梯。铀以线形的铀酰离子 UO2^2+ 存在（铀处于 +6 态），钚则可被诱导到 Pu(IV)；这两种较高电荷的物种都被一种溶于煤油、叫磷酸三丁酯的有机萃取剂抓住，于是它们离开水相、进入油相。裂变产物大多是较低电荷的离子，留在酸里。接着一个巧妙的把戏把这两者分开：在化学上把钚还原到 +3 态——萃取剂几乎抓不住它——它便落回水相，而铀酰离子留在油里。一股流里是纯铀，另一股里是纯钚。
- 把切碎的乏燃料溶于热的浓硝酸；铀变成铀酰 UO2^2+，钚被调至 Pu(IV)，裂变产物则以各种离子的混合形式溶解。
- 让酸相与载有磷酸三丁酯的煤油混合振荡；高电荷的 U(VI) 与 Pu(IV) 偏好有机油相，而较低电荷的裂变产物留在水相。
- 在化学上把钚还原到 Pu(III)，萃取剂几乎抓不住它；钚落回一份新鲜的水相，而铀酰留在油里——两种锕系元素就此分开。
- 再把铀酰从油里反萃回干净的水中，然后进一步纯化每一股流；剩下的，是要玻璃固化并贮存的裂变产物高放废物。
应当诚实地说，后处理既优雅，也极具争议。回收钚能循环燃料、缩减寿命最长那部分废物的体积，但分离出来的钚也是可用于制造武器的，所以后处理处在有关核扩散的种种棘手问题的中心。有些国家进行后处理；另一些则选择一次通过式循环加直接处置。化学告诉你什么是可能的；它本身并不告诉你什么是明智的。也请注意，整套方案都骑在定义锕系化学的那个特征之上——铀、镎、钚各自提供数个可达的氧化态，你可以把它们的电荷上下拨动，使其黏住萃取剂或松手放开。
制造地球上不再存在的元素
孕育钚的那套 beta 衰变算术，正是通往 超铀元素 的门——铀以后的一切，没有一种能在自然界以任何有意义的量存留下来。制造较轻的那些，靠的是耐心的中子喂养。把钚停放在强中子流中，它便一个接一个地吸收中子、质量节节攀升；时不时地，某个胀大的核发生 beta 衰变，把质子数往上推一格，铸出下一个元素。一步一步，这就造出镅（95）、锔（96）、锫（97）、锎（98），如此延续。世上大多数烟雾探测器里，都含有一粒正是这样造出来的镅-241——一种在我们造出它之前地球上并不存在的元素，如今就坐在你头顶的天花板上。
请留意这段核故事如何与电子故事工整地押韵。锕系沿这一行填充 5f 亚层，一个干净的平行关系成立：在前段锕系里，那些 5f 电子被束缚得松、在化学上活跃，这正是为什么铀和钚炫示着数个氧化态——也是为什么后处理行得通。到了这一行的后半段，5f 电子已被收得很紧，很像镧系里埋藏的 4f 电子，于是后段锕系安定在占主导的 +3 态，看起来、表现起来越来越像它们的镧系表亲。锕系沿行尺寸的收缩，呼应着你上一行见过的 镧系收缩。电子化学与核化学，是从两个角度在读同一个 f 区。
超重元素，一次一个原子
中子喂养在镄（100）附近走到尽头：原子核变得太脆弱，还没来得及往上爬就裂变了。要够到再往后的 超重 元素，化学家与物理学家便改用蛮力碰撞——超重元素合成。你给一个靶涂上一种重锕系元素，比如锔或锎，再在加速器里向它射出一束较轻的核，比如钙-48。极偶尔地，两个核相遇得恰好温柔到能粘住而非碎裂，熔合成单个超重核。直到 118 号鿫（oganesson）的诸元素，正是这样被造出来并命名的——其中包括鈇、镆、鿬。
请打消任何关于一瓶瓶这些元素的想象。产率小到几乎无法想象——往往是连续运行数周才产出单单一个原子，在衰变之前只存活毫秒或更短。它们的存在不是靠称重、也不是靠任何烧杯化学来确认，而是靠探测每个原子在解体时发出的那一串精确的 alpha 衰变链——一枚指认刚刚短暂造出了什么的指纹。说我们「研究了」这些元素的化学，顶多意味着把寥寥几个原子赶着穿过几个飞快的反应，去问 112 号元素是否还像表中它上方的汞那样行事。这是被推到最极端、也最谦卑边界的、货真价实的无机化学：在「样本数为一」的样本上做化学。
f 区给你留下了什么
退一步看，整个 f 区这一级便消解为一个从多个侧面看到的同一念头。f 轨道是周期表中那个微妙、埋藏、姗姗来迟的新成员，它们不愿出场，恰好解释了这些元素的两副面孔。在镧系里，4f 电子待得太深，使这些金属构成一个近乎匀质、宜做磁体和荧光粉的家族。在锕系里，前段的 5f 电子出来玩耍，给出了驱动后处理的丰富氧化态化学，而后在后段成员中又退回去。横跨这一切，锕系的原子核重到不稳定，这正是为什么无机化学的这一角落同时也是核时代的化学。
最后再一次抓住那条诚实的边界，因为本篇比其他任何一篇都更骑在这条线上。氧化态、配合物的生成、溶剂萃取、颜色——这些是化学，由电子决定，而化学既分不开两种同位素，也不能把一种元素变成另一种。裂变、衰变、熔合，以及稳定岛背后的那些半衰期，是核物理，由质子和中子决定，烧瓶里的任何试剂都既加不快也减不慢它们。锕系之所以非凡，恰恰因为它们让你同时通晓这两套语言。至此，你已读完 f 区——这安静、微妙的底部几行，无机化学在这里一路逼到原子本身所允许的边缘。