锕系元素

锕ā系元素（actinide metals ），是周期系ⅢB族中原子序数为89 ～103 的 15种化学元素的统称。包括有锕、钍tǔ、镤pú、铀yóu、镎ná、钚bù、镅méi、锔、锫péi、锎kāi和锎外锕系金属──锿āi、镄fèi、钔mén、锘nuò、铹láo。这些元素都是放射性元素^[1] ，它们的化学性质相近，与镧lán系元素的化学性质也很类似。锕系元素中锕、钍、镤、铀是天然存在的，其余都是利用人工核反应合成^[3](镎、钚在含铀矿物中也有发现，但其量极微），合成的方式有在反应堆或核爆炸中辐照重元素靶及在加速器上用带电粒子轰击重元素靶等。铀以后的原子序数为93～109的17 种元素称为超铀元素^[4]。在人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔的年产量达千克级以上，锎仅为克量级，锿以后的元素量极少，半衰期很短，仅用于研究。用途比较多的只限于铀和钍，钚在某些情况下用作核燃料^[5]

锕系元素原子结构的特点是：锕以后的元素电子依次填充5f内电子层，它们的最外层的电子构型基本相同，使锕系元素之间的性质非常相似，与镧系元素一样，锕系元素中也存在着离子半径收缩现象^[6][1]。其次，锕系元素与镧系元素一样都是金属，他们化学性质都比较活泼。它们的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐可溶于水 ，氢氧化物、氟化物、硫酸盐、草酸盐不溶于水。大多数锕系元素能形成配位化合物 。α 衰变^[7][注1]和自发裂变^[注2]是锕系元素的重要核特性，随着原子序数的增大 ，半衰期依次缩短 ，铀238的半衰期为4.468×109年；^[1]铹260的半衰期只有3分钟。锕系元素的毒性和辐射（ 特别是吸入人体内的a辐射体 ）的危害较大，必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。^[1][8]

锕系元素在工业领域，医学领域，核领域三个领域内具有重要的作用。例如，在工业领域：钍（Th）用于制作高温电子设备、光学镜片和陶瓷材料。铀（U）广泛用作核燃料，用于发电和核武器。铀还可以用于陶瓷、化工和冶金行业。在医学领域：钍（Th）的同位素被用于治疗骨癌和其他放射性治疗领域。钚（Pu）被用于放射性治疗和肿瘤的疼痛缓解。锔（Cm）用于医学诊断，透视和治疗。在核领域：铀（U）是最重要的核燃料之一，在核能发电站中被广泛使用。锕系元素在核反应堆中可用于控制反应率和产生稳定的裂变产物。钚（Pu）也可以作为核燃料使用，但同时也是核武器的重要原料。^[9] 裂变反应，放射性同位素研究，合成超重元素，核能存储这四个都是锕系元素在核领域中非常重要的作用。铀（U）是最重要的核燃料之一，在核能发电站中被广泛使用。锕系元素在核反应堆中可用于控制反应率和产生稳定的裂变产物。钚（Pu）也可以作为核燃料使用，但同时也是核武器的重要原料。^[9][10]

锕系元素的发展历史可以追溯到19世纪初期。1789年从沥青油矿中发现铀，是锕系中第一个被发现的元素。^[11]

铀是一种化学元素，其符号为U，原子序数为92。它是锕系元素中最重要和最广泛应用的元素之一。铀的发现过程可以追溯到19世纪初。1789年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特（Klaproth, Martin Heinrich)首次发现了铀的存在。他通过从矿石中提取出一种黑色粉末，并将其命名为"铀"。随后，其他科学家也开始研究铀的性质。在1841年，法国化学家欧仁·安东尼·贝克勒尔（Eugene Anthony Becquere）进一步研究了铀，并发现了铀的放射性。接着，法国物理学家亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquere）（欧仁·安东尼·贝克勒尔（Eugene Anthony Becquere）的儿子）在1896年进一步研究了铀的放射性。他发现，铀能够发出一种新的辐射，被称为"铀辐射"。这项发现为后来的核物理研究奠定了基础。此后，铀的发现引发了广泛的研究兴趣。科学家们开始深入研究铀的性质、放射性和核反应等方面。在20世纪初，铀逐渐被应用于核能领域，成为核能的重要燃料。^[11][12]

在1828年，瑞典化学家珀·格耐特（Jöns Jacob Berzelius）从瑞典矿石中首次分离出了一种新的元素，他将其命名为"Thorium"（即钍）。珀·格耐特（Jöns Jacob Berzelius）根据钍所呈现的化学性质和光谱特征，确认了这个新元素的存在。之后，其他科学家也开始对钍进行了更深入的研究。法国化学家路易·雅克·邓布尔（Louis Jacques Thénard）于1832年首次制备了纯净的钍金属，并进一步验证了它的属性和化学性质。关于钍的发现历史涉及到众多科学家的研究成果，其中包括格耐特、邓布尔等的实验和观察。这些科学家通过实验方法和分析技术，逐渐揭示了钍的特征和性质。^[11][1]

随后陆续发现了镎（Np）、钚（Pu）和镅（Am）。镎是人类历史上第一个被合成的超铀元素。^[1]在1940年，美国科学家埃德温·麦克米伦（Edwin McMillan）和菲利普·阿比尔（Philip Abelson）在加利福尼亚大学伯克利分校进行实验时，通过轰击镅-239（Am-239）核子，成功地合成了具有放射性的镎-238（Np-238）。^[12]这项重要的成果被发表在物理学领域的著名期刊上，并引起了广泛的关注。随后又发现了元素钚（Pu），钚是由人工合成而来的放射性元素。在1940年代末至1950年代初，美国洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们首次成功合成了钚。他们使用了原子弹测试所产生的镎-239（Np-239），经过一系列核反应，最终得到了具有放射性的钚-239（Pu-239）。这项成果是为了满足核武器研究和应用的需要而进行的，后来钚也被应用于核能领域。镅是在1944年首次被合成出来的元素。同样是由洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们完成的。他们通过轰击钚-239（Pu-239）核子，成功地制备出了具有放射性的镅-241（Am-241）。此后，镅的其他同位素也得到了合成和确认。^[1][11]

铀和钍的发现为大部分其他锕系元素的制取开辟了道路。在1899年在居里实验室工作的德比尔纳（A.L.Debierne）发现锕，在1902年盖瑟尔(F.Geisel)也独立发现了锕。^[1]锕存在于沥青铀矿及其它含铀矿物中。人工制备锕的数量极少，其在商业和科学研究方面极为有限。其名字来自于希腊文“aktinos”，意为“射线”或“光束”。此后，1913年法扬斯 (K.Fajans)和格林（O.G？hring）发现了镤的同位素234Pa，1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)发现了231Pa。^[1][11]

之后，人们利用人工核反应分别合成了剩下的锕系元素，在1944年西博格(G.T.Seaborg）利用氦离子轰击钚同位素获得锔，1949年汤普森(S.G.Thompson)等人用氦离子轰击241Am获得锫。1950年汤普森(S.G.Thompson)等人又用氦离子轰击242Cm获得锎。^[1][12][11]1952年，加州大学伯克利分校的吉奥索(A.Ghiorso)等人首次从热核爆炸的产物中发现了锿。同年，吉奥索等人又元素镄。1955年，吉奥索(A.Ghiorso)，格伦·西奥多·西博格（Glenn Theodore Seaborg)等人用α粒子轰击锿-253，又发现了101号元素，并以俄国化学家门捷列夫（Дмитрий Иванович Менделеев）的名字将其命名为钔。1961年，吉奥索(A.Ghiorso)等人在回旋加速器中用硼离子轰击锎靶，得到103号元素，将其命名为铹。1957年，在斯德哥尔摩诺贝尔研究所工作的一个科学家小组首先宣称发现了102号元素，并将其命名为锘。^[1][7][11]

21世纪世界锕系各种元素的生产规模相差很大；铀的年产量以万吨计，钍以千吨计，钚以吨计，镎、镤、镅以公斤计，锕、镤、锔、锎以克计，锎外锕系元素以毫克甚至以原子数计。^[1][11]

中国从上个世纪20年代就开始了对锕系放射性元素的研究，21世纪中国已制得所有的锕系元素^[13]。例如，在国家自然科学基金项目等资助下，清华大学徐超副教授团队与李隽教授团队合作在锕系元素镅的分离化学方面取得进展。研究团队基于实验和理论化学研究，以有机溶剂中制备和稳定高价态镅为突破口，将氧化性铋物种负载到含有功能配体的有机溶剂中，通过特殊的溶剂化作用和配体的配位作用，调控镅的氧化还原电势，从而将三价镅高效地转化为五价镅，首次实现了常量五价镅(241Am)在有机溶剂体系中较长时间的稳定存在。借助于两相萃取体系，成功实现了超宽酸度范围内镅和镧系元素的高效分离，单级分离因子超过一万。研究团队还基于量子化学计算及分子动力学模拟，进一步揭示了镅在有机溶剂中的微观氧化及稳定机制^[14][15]。

苏州大学原子能院放射化学研究所在锕系元素新型分离材料研究方面也取得重要进展，成功开发了适用于强辐射场、复杂化学环境中对钚具有高选择性的新型双酰胺类分离材料，为中国锕系元素分离新工艺、新方法的建立提供了重要技术支撑，为我国后处理厂铀产品深度净化提供了新思路。^[16][17]

由于镧系和锕系两个系列的元素随着原子序数的增加都只在内层轨道（相应的4f和5f轨道）充填电子，其外层轨道（相应的6s、5d和7s、6d轨道）的电子排布基本相同，因此不仅镧系元素和锕系元素的化学性质相似，而且每个系列内元素之间的化学性质也是相近的。^[1][11]

大多数锕系元素都有以下性质：

能形成络离子^[注3]和有机螯合物^[注4]的三价阳离子；生成三价的不溶性化合物，如氢氧化物、氟化物、碳酸盐和草酸盐等；生成三价的可溶性化合物，如硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐和某些卤化物等^[1]。

在水溶液中多数锕系元素为＋3氧化态，前面几个和最后几个锕系元素还有不同的氧化态，如镤有＋5氧化态；铀、镎、镅有＋5和＋6氧化态，镎和钚还有＋7氧化态。锎、锿、镄、钔和锘等元素都有＋2氧化态。锕系与镧系的这种差别是因为轻的锕系元素中5f电子激发到6d轨道所需能量比相应的镧系元素中4f电子激发到5d轨道的能量要小，使得锕系元素比镧系元素有更多的成键电子，因而出现较高的氧化态；而重的锕系元素却正好相反。^[12][9]

锕系元素基本上都有金属色泽，而且密度很大，同位素较多，原子核很不稳定，容易发成裂变、拥有半衰期。其物理性质和化学性质与镧系元素非常相似。^[1][9]

比如锕为银白色金属，能在暗处发光；熔点1050℃，沸点3200℃，密度10.07g/cm3，面心立方晶格。化学性质活泼，与镧和钇yǐ十分相似，可直接与多种非金属元素直接反应；锕有较强的碱性。锕的剪切模量估计与铅的相近。锕的放射性很强，它放射出的高能粒子足以将周围的空气电解，从而发出暗蓝色的光。^[1][9]

核性质：α 衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性。随着原子序数的增大，半衰期依次缩短。以元素中半衰期最长的同位素为例，铀238的半衰期为4.468×109年，锎251的半衰期为898年，铹260的半衰期仅3分钟^[18][1]

锕系元素和镧系元素中都发现离子半径收缩的现象，即随着原子序数的增大，离子半径反而减小。锕系元素中，充填最初几个5f电子时，离子半径收缩比较明显，后来趋于平缓，使得这些元素的离子半径十分接近。因此锕系元素在化学性质上的差别随着原子序数增大而逐渐变小，以致逐个地分离锕系元素（尤其是重锕系元素^[注5]）越来越困难。^[12]

溶剂萃取和离子交换是广泛使用的分离方法，特别是在发现锫、锎、锿、镄和钔等元素时，离子交换色谱法曾起了重要的作用。基于离子半径的微小差别及对各种络合剂^[注6]的不同络合作用，锕系元素可依次从离子交换柱淋洗下来^[12][1]。

常用的方法有两种：

一，中子俘获法^[注7]，利用多次中子俘获和继发β－衰变制备铀后元素存在两条途径：a，用反应堆的稳定中子流重核在反应堆稳定的中子流照射下俘获中子，这一过程是目前能制取可称量铀后元素的唯一方法。但此法合成的重元素的量受放射性衰变和核裂变的竞争所限制。在铀燃料反应堆运行过程中，逐渐形成Np、Pu、Am和Cm等轻锕系元素，从辐照后的核燃料中进行提取构成了它们的主要来源。^[10]

二、带电粒子核反应法^[19]，利用带电粒子轰击高质量数的靶核，是合成铀后元素尤其是重锕系元素的主要方法。当入射粒子的能量高于库伦势垒时，靶核俘获截面大致上也有核几何截面的数量级。形成的复合核可通过蒸发核子或裂变而释出激发能。如果重核的裂变过程占优势，则核合成反应截面很小。本法所能合成的新元素的原子序数最多等于靶子和入射粒子原子序数的总和。^[10]

注意锕系元素中只有钚、镎、镅和铕yǒu每年都能生产千克以上，镓只有克量级，之后才能生产出少量的铀，其半衰期很短，仅供研究之用。只有铀和钍才有更多的用途，而钚在某些情况下可用作核燃料^[4]。

另外锕元素天然存在于铀矿里，但含量极低。一般用以下方法来生产：在核反应堆中用中子轰击镭-225，将它转化为镭-227，后者会以42分钟的半衰期衰变为锕的长寿命同位素锕-227。^[18]

锕系元素的放射性同位素广泛应用于工业领域中的无损检测、密封品质检测和材料研究等方面。例如，镭-226（Ra-226）被用于确定金属材料的脆性和磨损程度；锕-227（Ac-227）可用于测量涂层厚度和漏洞的检测。^[20][21]

锕系元素的化合物在光电材料的制备中具有重要作用。锕系元素的化合物能够发光、荧光以及吸收射线等特性，因此被广泛应用于照明、显示器件、激光器和太阳能电池等领域。^[20]

锕系元素的放射性同位素被广泛用于癌症的治疗。例如，镭-223（Ra-223）被用于骨转移性前列腺癌的放射性治疗，可有效减轻患者的疼痛，并延长生存期。^[19][22]

锕系元素的同位素在核医学诊断中起到重要作用。例如，铀-238（U-238）被用于放射性示踪剂的制备，通过追踪药物在体内的分布情况，帮助医生进行疾病的诊断和治疗。^[19]

锕系元素主要用作核反应堆的原料，便携式的γ射线或X射线源；铀和钚等是制造核武器的主要原料^[5][9]。人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔等年产达公斤级以上，锎仅为克量级。锿以后的重锕系元素由于量极微，半衰期很短，仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。^[4]在核能利用方面，最重要的核素有铀233、铀235和钚239，它们是反应堆、核电站或其他核动力的易裂变燃料^[23]。铀235在自然界存在，铀233和钚 239则分别通过钍232和铀238俘获中子等人工核反应生成。^[8]

锕系元素在核裂变反应中具有重要应用。它们可以被用作燃料或裂变产物。例如，镅-249和锔-245常被用作裂变性燃料，而锕-227和钚-238则是裂变堆内的裂变产物。铀-235（U-235）用于核反应堆中的裂变反应。这些元素的裂变特性使它们成为核能利用和应用的关键。为人类提供清洁、高效的能源来源。^[11]

锕系元素具有丰富的放射性同位素，这使得它们在放射性同位素研究中发挥着重要作用。这些元素常被用于放射性标记、示踪和医学诊断等领域。例如，锕-227在癌症放射治疗中具有广泛应用。^[24]

锕系元素在合成超重元素的研究中发挥着关键作用。通过轰击已有元素的原子核，可以合成比锕系元素更重的元素。锕-227和锔-248等锕系元素常被用作起始材料。^[12][1]

锕系元素的核燃料特性使其在核能存储领域具有潜在应用。例如，镅-249被视为一种有望的裂变性燃料，可用于高温气冷堆等新型核能系统。^[23]

许多锕系核素除了利用其α辐射制成各种中子源以外，还可利用产生的热能制成热源和热电池^[25]，如锔244、钚238等用作气象卫星及其他宇宙飞行器的能源。^[23][25]

锕系元素的危害主要体现在以下几个方面:

放射性衰变可能导致DNA损伤，增加癌症和遗传突变的风险^[26]。锕的毒性和辐射，尤其是吸入人体内的a射线，对人体的伤害更大，必须在封闭的工作箱内操作，并采取保护措施^[27]。锕系元素的毒性和辐射危害极大，尤其是人工合成的锕系超铀元素^[28]。