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镄

原子序數為100的化學元素

镄（fèi）（英语：Fermium），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Fm，原子序数为100，属于锕系元素及超铀元素，具有高度放射性。镄是以中子撞击较轻元素所能产生的最重元素，也就是说它是最后一种能够制取出宏观可见量的元素。然而到目前为止，人们仍没有制成纯镄。[2]镄一共拥有20种同位素，其中257Fm寿命最长，半衰期为100.5天。

镄 100Fm
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
铒
↑
镄
↓
(Upn)
锿 ← 镄 → 钔
概况
名称·符号·序数镄（Fermium）·Fm·100
元素类别锕系元素
族·周期·区不适用·7·f
标准原子质量[257]
电子排布[Rn] 5f12 7s2
2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
镄的电子层（2, 8, 18, 32, 30, 8, 2）
镄的电子层（2, 8, 18, 32, 30, 8, 2）
历史
发现劳伦斯伯克利国家实验室（1952年）
物理性质
物态固体
熔点1800 K，1527 °C，2781 °F
原子性质
氧化态2, 3
电负性1.3（鲍林标度）
电离能第一：629[1] kJ·mol−1
杂项
CAS号7440-72-4
同位素
主条目：镄的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
252Fm 人造 25.39 小时 α 7.154 248Cf
SF – –
253Fm 人造 3.00 天 ε 0.335 253Es
α 7.198 249Cf
254Fm 人造 3.240 小时 α 7.307 250Cf
SF – –
255Fm 人造 20.07 小时 α 7.241 251Cf
SF – –
256Fm 人造 157.1 分钟 SF – –
α 7.025 252Cf
257Fm 人造 100.5 天 α 6.864 253Cf
SF – –

镄是在1952年第一次氢弹爆炸后的辐射落尘中发现的，并以诺贝尔奖得主原子核物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）命名。其化学属性符合较重锕系元素的典型性质，在水溶液中以+3氧化态为主，但也能够形成+2态。由于产量极少，镄元素在科学研究之外没有任何实际应用。与其他人工合成的元素一样，镄极具放射性，毒性亦很强。

历史

 
镄是在“Ivy Mike”核试验的辐射落尘中首次发现的
 
镄是以恩里科·费米命名的

镄是在1952年11月1日第一颗成功引爆的氢弹“常春藤麦克”的辐射落尘中首次发现的。[3][4][5]在对辐射落尘的初步检验后，科学家发现了一种新的钚同位素（244
94Pu
），其只能通过铀-238吸收6颗中子，再进行两次β−衰变才会形成。当时一般认为，重原子核吸收中子是一件较罕见的现象，但244
94Pu
的形成意味着铀原子核可能会吸收更多的中子，从而产生更重的元素。[5]

第99号元素（锿）很快便在与爆炸云接触过的滤纸上被发现了。（244
94Pu
也是通过飞机搭载滤纸在辐射落尘云中飞过而发现的。）[5]1952年12月阿伯特·吉奥索等人于伯克利加州大学辨认出锿元素。[3][6][5]他们发现了同位素253Es（半衰期为20.5天）。该同位素是铀-238原子核在捕获15颗中子后形成的，其之后再进行7次β衰变：

 

某些238U原子则能够捕获17颗中子。[7]

镄（Z = 100）的发现却需要更多的研究采样，因为其产量预计比锿要少至少一个数量级。故此在核试验进行地点埃内韦塔克环礁处受污染的珊瑚礁被送到美国加州劳伦斯伯克利国家实验室进行处理及分析。核试验后两个月，研究人员分离了样本的一部分，并发现它放射高能量的α粒子（7.1 MeV），半衰期大约为1天。如此短的半衰期意味着其肯定源于某种锿同位素的β−衰变，也就是样本本身必为新的100号元素的某种同位素。很快衰变源便被确认为255Fm（t½ = 20.07(7)小时）。[5]

由于当时正值冷战时期，该新元素的发现消息以及有关中子捕获的新数据被美国军方列为机密，一直到1955年才被公布。[5][8][9]不过，位于伯克利的团队自行通过对钚-239进行中子撞击，合成了第99和100号元素，并于1954年发布了研究结果。报告中附有声明，注明此前已有过对这些元素进行的研究。[10][11]有关“Ivy Mike”核弹的研究在1955年解密。[8]

伯克利的团队曾担心，在其机密研究结果公布之前，别的研究团队会通过离子撞击法发现较轻的镄同位素。[5]事实上，瑞典斯德哥尔摩诺贝尔物理研究所的一个团队也独自发现了该元素。他们以氧-16离子撞击238
92U
目标，合成了同位素250Fm（t½ = 30分钟），并于1954年5月发布了这项发现。[12]但是，人们一般还是承认伯克利团队较早发现镄元素，因此该团队拥有对该元素的命名权。他们决定将其命名为Fermium，以纪念原子弹之父恩里科·费米（Enrico Fermi）。[13][14]

化学

 
用于测量镄金属汽化热的镄镱合金

到目前为止，对镄的化学研究都是在溶液中通过示踪法进行的，至今没有制造过任何固体化合物。在一般状态下，镄在溶液中呈Fm3+离子态，水合数为16.9，酸度系数为1.6×10−4（pKa = 3.8）。[15][16]Fm3+会和拥有硬供电子原子（如氧）的各种有机配位体络合，而形成的络合物一般比镄之前的锕系元素较为稳定。[2]它也会与氯和氮等配位体形成络离子，同样也比锿或锎所形成的更稳定。[17]人们相信，较重的锕系元素所形成的络合键主要为离子键：由于镄的有效核电荷更高，所以Fm3+离子预计会比其之前的锕系元素所形成的An3+离子小，这使镄能够和配位体形成更短、更强的化学键。[2]

Fm3+能够容易地还原为Fm2+，[18]比如镄会和二氯化钐共沉淀。[19][20]镄的电极电势预计将和镱(III)与镱(II)之间的相似，相对标准电极电势约为−1.15 V，[21]这与理论计算相符。[22]使用极谱法进行测量，得出Fm2+与Fm0之间的电极电势为−2.37(10) V。[23]

同位素

主条目：镄的同位素
 
镄-257的衰变路径

目前在NUBASE 2020中列有20种镄的同位素，[24]质量数从241到260不等[注 1]，全部都具有放射性，其中257Fm寿命最长，半衰期有100.5天。253Fm的半衰期为3天，251Fm的为5.3小时，252Fm的为25.4小时，254Fm的为3.2小时，255Fm的为20.1小时，以及256Fm的为2.6小时。剩余同位素的半衰期长的有30分钟，短的不到一毫秒。[24]通过中子捕获形成的258Fm会进行自发裂变，半衰期只有370微秒；259Fm及260Fm也极不稳定，并也进行自发裂变（半衰期分别为1.5秒及4毫秒）。[24][注 1]这意味着，中子捕获是不能用于制造质量数高于257的核素的，除非在核爆炸中产生。由于没有任何镄的同位素可以β−衰变成钔，因此镄是最后一种能够以中子捕获过程产生的元素。[2][25][26]

天然存量

由于镄的所有同位素半衰期都很短，所以一切原始的镄核素，也就是在地球形成时可能存在的镄，至今都已全部衰变了。镄也可以通过地壳中的锕系元素（铀和钍）发生多次中子捕获产生，但这发生的可能性极低。因此地球上几乎所有的镄都是在科学实验室、高能核反应堆或是核武器试验中产生的，并在合成后只存留不超过几个月的时间。从95号镅至100号镄的超铀元素曾在位于加蓬奥克洛的天然核反应堆中自然产生，但至今已不再形成了。[27]

合成

 
洗提过程：利用色离法分离Fm（100）、Es（99）、Cf、Bk、Cm及Am。

镄是在核反应堆中通过对锕系元素进行中子撞击而产生的。镄-257是能够以中子捕获产生的最重同位素，产量最多达到纳克数量级（1×10-9 g）。[注 2][28]镄元素的主要产自位于美国田纳西州橡树岭国家实验室的85 MW高通率同位素反应堆（HFIR）。该反应堆专用于制造超锔元素（ Z > 96）。[29]该实验室通过对锔进行辐射，一般每次可生产数十克（1×101 g）锎、数毫克（1×10-3 g）锫和锿以及数皮克（1×10-12 g）镄；[30]或特地为某实验另外制成数纳克（1×10-9 g）[31]或数微克（1×10-6 g）[25]镄。在一次2至20万吨级热核爆炸中产生的镄元素量估计有数微克，但夹杂在大量残余碎片中。在1969年7月16日进行的“Hutch”核试验中，10公斤的残余碎片中提取出40皮克的257Fm。[32]

在产生之后，镄必须和其他锕系元素及裂变产生的镧系元素分开，一般利用离子交换层析法，并使用稀释于α-羟基异丁酸氨溶液中的正离子交换剂（如Dowex 50或TEVA等）。[2][33]正离子越小，它与α-羟基异丁酸负离子所形成的络合物就越稳定，因此在洗提柱中优先提取这一层。[2]另一种方法则使用分离结晶法。[2][34]

虽然257Fm是最稳定的镄同位素，半衰期长达100.5天，但是大部分的研究使用的则是255Fm，其半衰期为20.07(7)小时。这是因为后者是255Es（半衰期为39.8(12)天）的衰变产物，并能够轻易地被分离出来。[2]

在核爆炸中合成

对1千万吨级核弹“Ivy Mike”的辐射落尘所进行的分析是一项长期项目，其目的为研究在高能核爆中超铀元素的生产效率。使用核爆的原因如下：把铀转变成超铀元素需要多重中子捕获，而捕获概率随中子通量的提升而增加。核爆炸是最强的中子源，每微秒每平方厘米能够产生1023个中子（约1029中子/(cm²·s)）。相比之下，高通率同位素反应堆的中子通量也只有5×1015中子/(cm²·s)。埃内韦塔克环礁爆炸处随即设立起了一座实验室，以对辐射落尘进行初步分析，因为某些同位素在被送到美国本土之前，便可能已经衰变殆尽了。飞机带着滤纸在核爆之后飞过环礁的上空，并把采回的样本立即送往该实验室。起初，人们希望能够以此发现比镄更重的元素，但在1954年至1956年于该环礁进行了一系列百万吨级核试验之后，却仍没有发现这些元素。[35]:39

 
美国进行的“Hutch”和“Cyclamen”核试验中超铀元素产量的估值[35]:40

由于相信在局限空间内的核爆可能会增加产生重元素的可能性，因此内华达试验基地（现内华达国家安全区）又在1960年代进行了地底核试验，并采集了数据。除了一般的铀之外，核弹还装有镅和钍与铀的混合物，以及钚与镎的混合物。因为装载的重元素提高了裂变率，并导致较重同位素的流失，试验结果产量偏少。又由于原子尘分布在地下300至600米处熔化及汽化了的岩石中，而到如此的深度钻地取样又缺乏效率，对产物的提取分离也非常困难。[35]:39－40

在1962至1969年间进行的9次地底核试验中，[36]最后一次的规模最大，而其超铀元素产量也最高。在产量与原子质量数的关系图（左图）中，质量较低并拥有奇数质量数的同位素有较低的产量，因而在图中产生锯齿形的曲线。这是因为拥有奇数核子的同位素有较高的裂变率。[35]:40研究中最大的问题在于采集爆炸后散落在各处的原子尘。载有滤纸的飞机只吸附到总量的4×10-14，而在埃内韦塔克环礁处所采集到的量也只增加了两个数量级。在“Hutch”核试验60天后提取的500公斤岩石当中也只有总量的10−7。这500公斤岩石，相比在爆炸7天后取得的0.4公斤石块，其含超铀元素的量只不过高出30倍。这证明超铀元素的量与收集的岩石重量是不成正比的。[35]:43为了加快样本采集的速度，人们在核试验之前就在爆炸原点钻出了若干个竖井，这样爆炸就会把足够的样本从中心通过竖井带到地表，方便采样。该方法在“Anacostia”和“Kennebec”核试验中得到尝试，并立即为研究提供了数百公斤的物质，但是其中锕系元素的浓度比通过钻地取得的样本的少三倍。这种方法虽然能够有效帮助研究存留时间短的同位素，但却无法提高整体锕系元素的产量。[35]:44

尽管这一系列核试验没有再产生新的元素（除锿和镄外），而所取得的超铀元素量也不如理想，但其总体产生的稀有重同位素的量却仍比此前实验室中能够合成的要多。在“Hutch”核试验中取得的6×109颗257Fm原子被用于研究257Fm的热中子诱发裂变，并以此产生了新的镄同位素：258Fm。采集到的还有大量稀有的250Cm同位素，这是很难从249Cm产生的：249Cm的半衰期（64分钟）相对需数个月时间的反应堆辐射来说太短，但对于核爆炸时间段来说就很长了。[35]:47

毒性

虽然曾接触过镄的人寥寥无几，但是国际放射防护委员会仍为镄最稳定的两种同位素提供了每年辐射剂量的建议。镄-253的进食剂量限度为107 Bq（1 Bq相当于每秒一次衰变），吸入剂量限度为105 Bq；镄-257的则分别为105 Bq和4000 Bq。[37]

备注与参考资料

备注

  1. ^ 1.0 1.1 同位素260Fm在NUBASE 2020上列出的发现状态为“未证实”。[24]
  2. ^ 所有原子序Z ≥ 100的元素都只能在粒子加速器中使离子互相撞击，进行核反应而产生，产量极少（例如，每一小时的持续离子辐射能够产生100万颗钔（Z = 101）原子）。

参考资料

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延伸阅读

 
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