人工合成元素
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人工合成元素,又称为人造元素,在化学中是指自然界中不存在,只有通过人工方法才能制造出来的化学元素。一般透过将两种元素的原子以高速撞击,使两者融合,以增大其原子核内质子的个数,达到增大原子序数、制造出新元素的目标。至今已有20多种人工合成元素被合成出来,它们均是不稳定的放射性元素,但彼此间衰变的速率差异很大,半衰期从几千万年(如锔-247)到仅仅只有数百微秒(如鿫-294)。[1]
有五种元素最初是通过人工合成的方式发现,但是后来在自然界中,也发现有痕迹量的存在,包括锝、钷、砹、镎和钚,由于存量极为稀少,从天然矿石中提取它们并不实际,所以通常还是由人工合成的方式生产这些元素。因此,它们有时仍被标记为人工合成元素。[2]其中第一个被发现的是锝,首次合成于1937年。[3]而工业及军事上最重要的钚于1940年首次被合成出,主要以其在原子弹和核反应堆中的用途而闻名。[4]钚也是如今天然存在的元素中原子序数最大的(94号),原子序≥95(镅以后)的元素都不出现在自然界中,只能以人工合成的方式生产,即随附元素周期表中的紫色区块元素。
原子序数≥99(锿以后)的人工合成元素由于半衰期都极短,非常不稳定,无法大量生产,因此在科学研究之外没有任何实际用途。
性质
人工合成元素皆具有放射性,会衰变成其他较轻的同位素。由于它们的半衰期与地球的寿命相比过短,即使在地球形成的初期曾经存在过这些元素,到现今也已经全部衰变为其他元素而消失在地球上了。目前,只有在核武器或是在核反应堆、粒子加速器中进行的核试验中才能发现人工合成元素的原子。人工合成元素的产生方式有核聚变和中子俘获。
对于自然存在的元素来说,其原子量由地壳和大气层中天然同位素的丰度比例来决定。但是由于人工合成元素的同位素完全由人工合成产生,天然同位素的丰度对其没有任何意义,因此,在元素周期表中,人工合成元素的原子量使用其最稳定(即半衰期最长)的同位素之质量数来表示。
并不是所有的放射性元素都是人工合成元素,比如铀、钍和铋都没有稳定同位素,但是它们最稳定同位素的半衰期均极长,因此在地壳和大气层中均有分布,同时,它们的衰变产物——钋、镭和氡等元素,尽管半衰期很短,也能在自然界中找到相当的量。
历史
世界上第一个通过人工合成而发现的化学元素是锝,在1936年,该发现被最终确认并填补了元素周期表的43号位置的空白。锝不存在稳定同位素,其最稳定的同位素锝-98的半衰期为420万年,远低于地球的年龄,因此地球形成时所产生的锝到今天已经衰变殆尽。现今自然界中仅存在痕迹量的锝,是由铀-238的自发裂变以及钼矿石的中子俘获而产生。
第一个完全由人工合成而产生的元素是1944年合成的锔,之后是镅、锫和锎等。冷战期间,苏联和美国各自独立合成出了𬬻和𬭊等超重元素,由此,这些元素的命名权多年后才得以解决。
人工合成元素列表
下表所列人工合成元素均为自然界中所不存在的化学元素,其原子序数≥95,均为超铀元素。
元素名称 | 元素符号 | 原子序数 | 首次合成年代 |
---|---|---|---|
镅 | Am | 95 | 1944 |
锔 | Cm | 96 | 1944 |
锫 | Bk | 97 | 1949 |
锎 | Cf | 98 | 1950 |
锿 | Es | 99 | 1952 |
镄 | Fm | 100 | 1952 |
钔 | Md | 101 | 1955 |
锘 | No | 102 | 1957 |
铹 | Lr | 103 | 1961 |
𬬻 | Rf | 104 | 1966(苏联),1969(美国)* |
𬭊 | Db | 105 | 1968(苏联),1970(美国)* |
𬭳 | Sg | 106 | 1974 |
𬭛 | Bh | 107 | 1981 |
𬭶 | Hs | 108 | 1984 |
鿏 | Mt | 109 | 1982 |
𫟼 | Ds | 110 | 1994 |
𬬭 | Rg | 111 | 1994 |
鿔 | Cn | 112 | 1996 |
鿭 | Nh | 113 | 2003 |
𫓧 | Fl | 114 | 1999 |
镆 | Mc | 115 | 2003 |
𫟷 | Lv | 116 | 2000 |
鿬 | Ts | 117 | 2010 |
鿫 | Og | 118 | 2006 |
* 视为共同拥有发现权 |
其他人工合成元素
下列元素在自然界中皆有痕量的分布,但通常由人工合成方式所产生。
元素名称 | 元素符号 | 原子序数 | 首次发现年代 |
---|---|---|---|
锝 | Tc | 43 | 1936 |
钷 | Pm | 61 | 1945 |
砹 | At | 85 | 1940 |
钫 | Fr | 87 | 1939 |
锕 | Ac | 89 | 1902 |
镤 | Pa | 91 | 1913 |
镎 | Np | 93 | 1940 |
钚 | Pu | 94 | 1940 |
参考资料
- ^ Kulkarni, Mayuri. A Complete List of Man-made Synthetic Elements. ScienceStuck. 15 June 2009 [15 May 2019]. (原始内容存档于2019-08-03).
- ^ See periodic table here (页面存档备份,存于互联网档案馆) for example.
- ^ WebElements Periodic Table » Technetium » historical information. www.webelements.com. Webelements. [7 November 2019]. (原始内容存档于2022-02-20).
- ^ Bradford, Alina. Facts About Plutonium. LiveScience. 8 December 2016 [16 May 2019]. (原始内容存档于2022-04-07).
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