𬭶

人工放射性元素

𬭶

𬭶（英文名称Hassium），一种人工合成的放射性元素，位于元素周期表第七周期第Ⅷ族，元素符号Hs，原子序号108号。[8]1984年，戈特弗里德·明岭贝格（MünzenbergG）等科学家所在的德国达姆施塔特重离子研究所（GSI中心）首次合成了𬭶原子，先定名为“108号元素”。[1][5]1992年，GSI中心建议命名“108号元素”为Hassium，取自研究所所在地德国黑森州的拉丁语名（Hassia），[6]1997年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）采用了Hassium作为“108号元素”的英文名称，以纪念发现地德国黑森州。[9]1998年1月中旬，中国科学技术名词审定委员会于召开了无机化学名词组扩大会议，确定Hassium中文译名为𬭶（hēi，音同“黑”）。[10][11]𬭶理论密度预测高达40.7g/cm3，是已预测密度最高的元素。[7]根据其他同族元素的化学性质，推测𬭶可以和氧气合成四氧化物HsO4，其四氧化物HsO4和NaOH进而可以生成化合物Na2[HsO4(OH)2]。[12]

𬭶hēi（英文名称Hassium），一种人工合成的放射性元素，位于元素周期表第七周期第Ⅷ族，元素符号Hs，原子序号108号。[9]

1984年，戈特弗里德·明岭贝格（MünzenbergG）等科学家所在的德国达姆施塔特重离子研究所（GSI中心）首次合成了𬭶原子，先定名为“108号元素”。[2][6]1992年，GSI中心建议命名“108号元素”为Hassium，取自研究所所在地德国黑森州的拉丁语名（Hassia），[7]1997年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）采用了Hassium作为“108号元素”的英文名称，以纪念发现地德国黑森州。[10]1998年1月中旬，中国科学技术名词审定委员会于召开了无机化学名词组扩大会议，确定Hassium中文译名为𬭶（hēi，音同“黑”）。[11][12]𬭶理论密度预测高达40.7g/cm3，是已预测密度最高的元素。[8]根据其他同族元素的化学性质，推测𬭶可以和氧气合成四氧化物HsO4，其四氧化物HsO4和NaOH进而可以生成化合物Na2[HsO4(OH)2]。[13]

自然界不存在天然的𬭶元素，只能被人工合成，而且半衰期极短，很不稳定。[9]自从1984年首次合成以后，科学家们只合成了大约100多个𬭶的原子来做研究，所以人类对于𬭶元素的了解仍然十分有限，所以用途和具体危害程度还不清楚。[7]

发现

1984年，戈特弗里德·明岭贝格（MünzenbergG）等领导的研究队于德国达姆施塔特重离子研究所GSI首次进行了𬭶的合成反应。他们在实验室的粒子加速器中以58Fe原子核撞击铅目标体，制造出3个265Hs原子，定名为“元素108”。[2][6]

IUPAC/IUPAP超重元素工作组在1992年的一份报告中承认，重离子研究所GSI是𬭶的正式发现者。[14]

元素周期表，𬭶Hs位于第七周期Ⅷ族
元素周期表，𬭶Hs位于第七周期Ⅷ族

命名

1992年，德国重离子实验室GSI作为发现者正式提出使用Hassium作为108号元素的名称，取自研究所所在地德国黑森州的拉丁语名（Hassia）。[7]1997年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）决定对101－109号元素英文名称重新命名，承认了108号元素英文名称是Hassium，以纪念发现地德国黑森州。[10]1998年1月中旬，中国科学技术名词审定委员会于召开了无机化学名词组扩大会议，确定Hassium中文译名为𬭶（hēi，音同“黑”）。[11][12]

​原子结构

𬭶的原子半径预计在126pm左右，[8]电子排布预计是[Rn]5f146d67s2[15]，电子层预测是2、8、18、32、32、14、2。[8]由于7s轨道的相对论稳定性和6d轨道的相对不稳定性，所以6d轨道更容易失去电子而不是最外围的7s轨道失去电子，预测Hs+离子是[Rn]5f146d57s2的电子排布构型，这与其较轻的同系物的行为相反。Hs2+离子预计会类似于Os2+离子，具有[Rn]5f146d57s1的电子排布构型。[15]

𬭶的电子层预测
𬭶的电子层预测

晶体结构

类似于同族上方的锇éOs，科学家猜测𬭶应该是密排六方堆积的晶体结构（c/a＝1.59）。[16]密排六方晶胞是一个正六面柱体，在上下两个面的角点和中心上，各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在上下两个面的中间有三个原子。[17]据计算，纯金属𬭶的体积模量（抗均匀压缩）为450GPa，与金刚石的442GPa相当。[16][18][19]

密排六方堆积
密排六方堆积

物理性质

尽管𬭶被成功合成，但是科学家们对于𬭶的许多物理性质了解仍然非常有限，比如沸点、压力或热容等仍然不清楚。[7]瑞典皇家理工学院研究，第8族元素成员熔点较高，铁Fe熔点为1538℃；钌Ru为2334℃；锇Os为3033°C，在和它们非常相似的情况下，虽然还没有精确计算出𬭶的熔点，但据预测，在室温下𬭶是固态金属形态。[16]𬭶理论密度预测高达40.7g/cm3，比现在密度最好的锇（22.57g/cm3）还要高上很多。[7][6]

氧化态

与𬭶同族的钌Ru、锇Os具有稳定的+8价，所以预测𬭶也具有稳定的+8价，同样的，预计𬭶也会像同族的其他元素一样显示出较低价的稳定氧化态，如+6、+4、+3和+2。[20][8][21]

液相化学性质

挪威的科学家探究出锇Os可以在快速溶剂萃取SISAK装置上进行液相化学性质的研究，可以求出Os在水相和有机相之间的分配比，实验的成功表明，作为同族元素的𬭶Hs预测也可以在SISAK装置上开展液相化学性质的研究。[22][13]

同位素

𬭶没有稳定的或自然存在的同位素，被制造出来的几十到一百个𬭶的同位素原子，都是在实验室里合成出来的，可通过两个原子的聚变或者更重元素的衰变得到。[7][23]据报道，有13种同位素的质量数在263Hs到277Hs之间（274和276除外），其中有4种分别是265Hs、266Hs、267Hs和277Hs具有已知的亚稳态，[24][注1]尽管277Hs的亚稳态尚未得到证实。[26]其中对于同位素273Hs，劳伦斯伯克利国家实验室于1999年声称合成元素118，反应期间出现273Hs同位素核子。他们声称该同位素以能量9.78及9.47MeV进行α衰变，半衰期为1.2秒。该发现在2001年被撤回。[27]这一同位素最终在2010年被合成，而所记录的数据证明先前的数据是虚假的。[28][27]

这些同位素大部分主要通过α衰变衰变，这是所有可获得全面衰变特征的同位素中最常见的，唯一的例外是277Hs，它经历自发裂变。[24]较轻的同位素通常由两个较轻的原子核直接聚变合成，而较重的同位素通常是原子序数较大的原子核的衰变产物。[29]

同位素半衰期衰变模式发现时间发现反应
263Hs760μsα，SF2009208Pb（56Fe，n)
264Hs540μsα，SF1986207Pb（58Fe，n）
265Hs1.96msα，SF1984208Pb（58Fe，n）
265mHs360μsα1995208Pb（58Fe，n）
266Hs3.02msα，SF2001270Ds（—，α）
266mHs280msα2011270mDs（—，α）
267Hs55msα1995238U（34S，5n）
267mHs990μsα2004238U（34S，5n）
268Hs1.42sα2010238U（34S，4n）
269Hs16sα1996277Cn（—，2α）
270Hs9sα2003248Cm（26Mg，4n）
271Hs10sα2008248Cm（26Mg，3n）
272Hs160msα2022276Ds（—，α）
273Hs510msα2010285Fl（—，3α）
275Hs600msα2004287Fl（—，3α）
277Hs12msα2010289Fl（—，3α）
277mHs130sSF2012293mLv（—，4α）

化合物

第8族元素表现出独特的氧化物化学性质，族上所有较轻的元素都有已知的或假想的四氧化物。[34]它们的氧化能力随着在元素周期表里位置的下降而下降。[35]锇Os燃烧形成稳定的四氧化物OsO4，[36][37]OsO4与氢氧根离子络合形成锇酸盐络合物[OsO4(OH)2]2−。[38]𬭶在元素周期表中的位置应该在锇Os的正下方，也可以形成一种稳定的、非常易挥发的四氧化物HsO4，同时其四氧化物与氢氧根络合形成[HsO4(OH)2]2−，所以预测+8价的𬭶离子化合物有HsO4，Na2[HsO4(OH)2]。[13]四氧化钌RuO4和四氧化锇OsO4都是易挥发的，因为它们是对称的四面体分子结构，而且它们是电荷中性的；同样，四氧化𬭶也应该是一种非常易挥发的固体。2008年有实验结果表明，第8族四氧化物的挥发性变化趋势为RuO4<OsO4>HsO4。[39]

单质合成

以下是世界各科学实验室进行的部分𬭶同位素的成功合成实验。

1984年，正式发现𬭶元素的实验中，重离子研究所的团队使用了α衰变相关法，并辨认出3颗265Hs原子。[40]在1993年改进设施之后，团队在1994年重复进行了实验，并在测量1n中子蒸发通道的部分激发函数时，探测到75个265Hs原子和2个264Hs原子。[41]在1997年进行的另一次实验中，测量到的1n通道的最大值为69pb，另探测到20个原子。[42]1984年在杜布纳进行的实验首次使用Pb－207目标。团队探测到与使用Pb－208时的实验相同的自发裂变，来自同位素260Sg，264Hs的子同位素。[14]位于重离子研究所的团队首次于1986年研究这条反应，并使用α衰变相关法发现了单个264Hs原子，截面为3.2pb。[43]1994年3月，位于杜布纳由YuriLazerev领导的团队宣布在5n中子蒸发通道探测到3个267Hs原子。[44]重离子研究所与保罗谢尔研究所的合作团队研究了锔－248和镁－26离子之间的反应。在2001年5月到2005年8月期间，团队研究了产生269Hs、270Hs及271Hs的3n、4n及5n中子蒸发通道的激发函数。[45]2006年12月，慕尼黑工业大学的科学团队发布了合成270Hs同位素的重要结果。报告指出，该同位素经α衰变，能量为8.83MeV，预计半衰期约为22秒，形成266Sg。[46]2008年4月至5月在重离子研究所使用罕见且昂贵的36S同位素进行以下反应。初步结果显示，实验探测到1个270Hs原子，产量为0.8pb。数据证实了270Hs和266Sg的衰变特性。[47]

四氧化物合成

德国重离子研究中心通过26Mg束流轰击旋转的248Cm靶产生269Hs（t1/2＝9s）核素，在载气氦气中加入氧气，为了提供快速充分的氧化，在反冲靶室后连有一个600℃的炉子，形成的挥发性氧化物HsO4在干燥的He/O2气体混合物中经毛细管快速传输到探测器，实验装置和反应方程式如下[13]：

HsO4合成的实验装置图
HsO4合成的实验装置图

酸碱络合反应

德国GSI中心根据已报道的气相化合物OsO4可以吸附在KOH表面的文献，基于Hs位于Os同族下方，研究了挥发性的氧化物HsO4和NaOH之间的相互作用，结果实验人员在探测器上观察到了Hs的沉积，根据这次实验，科学家第一次提出了Hs四价氧化物可以进行酸碱反应，理论上可以和NaOH生成Na2[HsO4(OH)2]，反应方程式如下[13]：

超重核稳定岛理论

20世纪60年代理论预言在Z＝114，N＝184附近区域存在着一个稳定核的岛，即“超重核稳定岛”，认为在这个岛内可能存在着半衰期较长的，相对稳定的超重元素。超重元素合成的最终目标是找到“超重核稳定岛”的位置，因此必须合成“超重核稳定岛”上的核素。[9][13]欧洲科学研究杂志上，一位伊拉克科学家通过NuclearMagnetonTheoryofMassQuantization，简称NMT理论[48]计算出𬭶的理论同位素中有20种半衰期很长的同位素，其中有：288Hs（1.08x104y）、289Hs（6.26x105y）、290Hs（2.46x106y）、291Hs（1.86x108y）、292Hs（9.96x108y）、293Hs（1.29x1011y）、294Hs（1.15x1012y）和295Hs（2.63x1014y），他认为𬭶的这8种半衰期时间长达数年的Hs理论同位素属于稳定岛的一部分。[49]

研究局限性

开展𬭶的化学性质实验研究是一项极具挑战性的工作，因为自1984年首次𬭶被合成出来以后，𬭶作为超重元素，产额低、寿命短。超重元素[注2]随着原子序数的增加，重离子熔合蒸发反应的截面呈指数下降，因而超重核的产额随原子序数的增长急剧下降。可用于化学研究的超重元素的寿命非常短而且量非常少，很多情况下是每次只能获得1个原子，即所谓的“一次试验1个原子”。因此，超重元素的化学分离是在单个原子层面上进行的，出现1个原子的时间是未知的，因为它的产生是一个统计过程。实际的实验研究需要进行反复多次（数千次）重复相同的化学分离实验，以期达到具有统计意义的概率。[9]

在2011年的《科学展望》中，美国核物理学家沃尔特·格雷纳（WalterGreiner）挖苦地表示，在地下深处通过“两三次核爆炸”，或许可以制造出富含中子的原子核，比如𬭶。由于多个全球条约禁止这样做，我们将不得不继续依靠技术，比如用富含中子的48Ca或58Fe光束轰击加速器目标。即使我们必须再等几十年，让下一代核科学家生产出足够的𬭶来填补我们知识的空白，这可能是最好的。[7]

参考资料 49

  1. Periodic Table of the Elements — Lawrence Berkeley National Laboratory（LBL）
  2. 参考 2
  3. Hassium — American Element
  4. CAS — commonchemistry
  5. Hassium — Pubchem
  6. https://www.nature.com/articles/nature00980
  7. 参考 7
  8. https://link.springer.com/
  9. 参考 9
  10. Names And Symbols Of Transfermium Elements (IUPAC recommendations 1997) — https://old.iupac.org/
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  25. Isotope Basics — National Isotope Development Center
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  28. Six New Isotopes of the Superheavy Elements Discovered — Lawrence Berkeley National Laboratory（LBL）
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  42. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1997ZPhyA.358..377H
  43. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1986ZPhyA.324..489M/abstract
  44. 参考 44
  45. 参考 45
  46. 参考 46
  47. 参考 47
  48. 参考 48
  49. http://www.europeanjournalofscientificresearch.com

注释

  1. 亚稳核素用字母“m”表示，紧接质量数，如“277mHs”。[25]
  2. 原子序号104号及以后的元素[13]
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