107號元素

**𨨏**（拼音：bō，注音：ㄆㄛ；英語：**Bohrium**）是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Bh**，原子序數為 107。以丹麥物理學家尼爾斯・玻爾命名。𨨏是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，其所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其中壽命最長的是 270Bh，半衰期僅約 61 秒。

在元素週期表中，𨨏是位於 d 區塊的過渡金屬，為第 7 週期、第 7 族的成員。人們對𨨏的化學屬性並不完全瞭解，就目前實驗結果所知，𨨏符合 7 族中位於錸之下元素的特性。

## 概述

超重元素的原子核是在兩個不同大小的原子核的聚變中產生的。粗略地說，兩個原子核的質量之差越大，兩者發生反應的可能性就越大。由較重原子核組成的物質會作為靶子，被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候，才能聚變成一個原子核。原子核（全部都有正電荷）會因為靜電排斥而相互排斥，所以只有兩個原子核的距離足夠短時，強核力才能克服這個排斥力並發生聚變。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。不過，只是靠得足夠近不足以使兩個原子核融合：當兩個原子核逼近彼此時，它們通常會融為一體約 10−20 秒，之後再分開（分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同），而非形成單一的原子核。如果聚變發生了，兩個原子核產生的一個原子核會處於激發態，被稱為複合原子核，非常不穩定。為了達到更穩定的狀態，這個暫時存在的原子核可能會直接核分裂，或是放出一些帶走激發能量的中子。如果這些激發能量不足以使中子被放出，複合原子核就會放出 γ 射線。這個過程會在原子核碰撞後的 10−16 秒發生，並創造出更穩定的原子核。聯合工作團隊（JWP）定義，化學元素的原子核只有 10−14 秒內不進行放射性衰變，才能被識別出來，這個值大約是原子核得到它的外層電子，顯示其化學性質所需的時間。

粒子束穿過目標後，會到達下一個腔室 —— 分離室。如果反應產生了新的原子核，它就會被這個粒子束攜帶。在分離室中，新產生的原子核會從其它核種（原本的粒子束和其它反應產物）中分離，並轉移到半導體探測器中，在這裡停住原子核。撞擊至探測器時的確切位置、能量和到達時間將會被記錄下來。這個轉移需要 10−6 秒的時間，意即這個原子核需要存活這麼長的時間才能被檢測到。若衰變發生，衰變的原子核被再次記錄，並測量位置、衰變能量和衰變時間。

原子核的穩定性源自於強核力，但強核力的作用距離很短，隨著原子核越來越大，強核力對最外層的核子（質子和中子）的影響減弱。同時，原子核會被質子之間，範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。超重元素的主要衰變方式 ——α 衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。α 衰變由發射出去的 α 粒子記錄，在實際衰變之前很容易確定衰變產物。如果這樣的衰變或一系列連續衰變產生了一個已知的原子核，則可以很容易地確定反應的原始產物。（衰變鏈中的所有衰變都必須在同一個地方發生。） 已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別，例如衰變能量（或更具體地說，發射粒子的動能）。然而，自發裂變會產生各種分裂產物，因此無法從其分裂產物確定原始核種。

嘗試合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息：粒子到達探測器的位置、能量和時間，以及粒子衰變的信息。物理學家分析這些數據並試圖得出結論，確認它確實是由新元素引起的，而非由不同的核種引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核種確實是新元素的結論，並且對觀察到的效應沒有其他解釋，就可能在解釋數據時出現錯誤。

## 歷史

### 正式發現

位於德國達姆施塔特重離子研究所，由彼得・安布魯斯特和哥特佛萊德・明岑貝格為首的團隊於 1981 年首次確定性地成功合成𨨏元素。它們將鉻 - 54 原子核加速撞擊鉍 - 209 目標，並製造出 5 個𨨏-262 同位素原子：

　
: 209 
83Bi 
  + 54 
24Cr 
  → 262 
107Bh 
  + 
n

IUPAC/IUPAP 鐨後元素工作小組在其 1992 年的報告當中將重離子研究所的團隊列為𨨏的正式發現者。

### 提出的命名

該德國團隊建議將該元素命名為 Nielsbohrium，符號為 Ns，以紀念丹麥物理學家尼爾斯・波爾。前蘇聯杜布納聯合核研究所的科學家卻曾經建議把第 105 號元素（現名為𨧀）命名為 Nielsbohrium。德國的團隊希望在紀念波爾的同時，肯定杜布納團隊作為首次提出該冷核融合反應的一方，從而解決命名爭議。杜布納團隊與德國團隊就此對 107 號元素的命名達成了共識。

在 104 至 106 號元素命名爭議的同時，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）使用 Unnilseptium（符號為 Uns）作為臨時的系統化命名。1994 年，IUPAC 的一個委員會建議將 107 號元素命名為 Bohrium（現名），而非 Nielsbohrium，因為此前並沒有以某科學家的全名為元素取名的先例。發現者對此表示反對，並擔心這樣的名稱會和硼（Boron）混淆，特別是兩者的含氧陰離子的國際命名：Bohrate（𨨏酸鹽）和 Borate（硼酸鹽）。這個問題交由 IUPAC 位於丹麥的分支處理，但最終的投票結果仍然決定使用 Bohrium。鑒於國際上對 104 至 107 號元素名均存在較大分歧，1997 年 8 月 27 日 IUPAC 在協商後正式對 101 至 109 號元素的重新英文定名，其中 Bohrium 一名成為了國際承認的 107 號元素的命名。雖然有關於硼酸鹽和𨨏酸鹽的歧義，IUPAC 之後並沒有將𨨏酸鹽改稱。

全國科學技術名詞化學名詞審定委員會據此於 1998 年 7 月 8 日重新審定、公佈 101 至 109 號元素的中文命名，其中首次給出 107 號元素中文名：「𨨏」（bō，音同「波」），名稱源自 IUPAC 決定的英文名 Bohrium，以紀念丹麥物理學家尼爾斯・波爾。

## 核合成

𨨏等超重元素的合成方法是將兩種較輕的元素通過粒子加速器相互高速撞擊，並以此產生核融合反應。多數𨨏同位素都可以用這種方法合成，但某些較重的同位素則目前只在原子序更高的元素的衰變產物當中發現。

根據所用能量的高低，核合成分為「熱」和「冷」兩類。在熱核融合反應中，低質量、高能的發射體朝著高質量目標（錒系元素）加速，產生處於高激發能的複核（約 40 至 50 MeV），再裂變或蒸發出 3 至 5 顆中子。在冷核融合反應中，聚變所產生的複核有著低激發能（約 10 至 20 MeV），因此這些產物的裂變可能性較低。複核冷卻至基態時，會只射出 1 到 2 顆中子，因此產物的含中子量更高。冷核融合一詞在此指的不是在室溫下發生的核融合反應（見冷核融合）。

### 冷核融合

在 1981 年重離子研究所團隊成功合成𨨏之前，杜布納聯合核研究所的科學家曾於 1976 年嘗試進行冷核融合合成𨨏。他們探測到兩次自發裂變事件，半衰期分別為 1 至 2 毫秒和 5 秒。根據別的冷核融合反應推斷，兩次裂變分別來自於 261Bh 和 257Db。不過，之後的證據降低了 261Bh 的自發裂變支鏈，因此事件指定為𨨏的確定性也大大降低。指定為𨧀的裂變事件之後改為指向 258Db，而 2 毫秒長的自發裂變事件則指定為 258Rf 的 33% 電子捕獲支鏈。重離子研究所團隊在 1981 年研究了這條反應，並成功發現𨨏。利用衰變母子體關係法，他們探測到 5 個 262Bh 原子。1987 年，來自杜布納的內部報告指出，其團隊曾經直接探測到 261Bh 的自發裂變。重離子研究所團隊又在 1989 年進一步研究這條反應，並在測量 1n 和 2n 激發函數時，發現了新同位素 261Bh，但是並沒有探測到 261Bh 的自發裂變支鏈。2003 年，他們利用新製造的三氟化鉍（BiF3）目標繼續進行研究，並取得更多有關 262Bh 及其衰變產物 258Db 的數據。2005 年，由於質疑此前數據的準確性，位於勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的團隊重新測量了 1n 激發函數。他們觀測到 18 個 262Bh 原子和 3 個 261Bh 原子，並證實了 262Bh 的兩個同核異構物。

2007 年，LBNL 的團隊研究了類似的反應，首次使用鉻 - 52 發射體尋找最輕的𨨏同位素 260Bh：

　
: 209 
83Bi 
  + 52 
24Cr 
  → 260 
107Bh 
  + 
n

研究人員成功探測到 8 個 260Bh 原子，它們經過 α 衰變形成 256Db，期間放射的 α 粒子能量為 10.16 MeV。這種能量顯示 N=152 的閉核持續有著穩定的作用。

杜布納的團隊在 1976 年在一系列利用冷核融合產生新元素的實驗中，研究了鉛 - 208 目標和錳 - 55 發射體之間的反應：

　
: 208 
82Pb 
  + 55 
25Mn 
  → 262 
107Bh 
  + 
n

他們觀測到與鉍 - 209 和鉻 - 54 之間反應相同的自發裂變事件，並同樣指向 261Bh 和 257Db。之後的證據表示事件應該改為指向 258Db 和 258Rf（見上）。1983 年，他們重新進行實驗，並用到新的方法：測量經化學分離出的衰變產物的 α 衰變。研究人員探測到來自衰變產物 262Bh 的 α 衰變，加強證實𨨏原子核的成功合成。位於 LBNL 的團隊之後詳細研究這條反應，並在 2005 年探測到 33 次 262Bh 的衰變及 2 個 261Bh 原子。這確定了這條反應釋放一顆中子的激發函數，以及提供了有關兩種 262Bh 同核異構物的光譜數據。2006 年重復進行這條反應時研究了釋放兩顆中子的激發函數。該團隊發現，釋放一顆中子的反應的截面比使用 209Bi 目標的相應反應較高，著與預期的相反。要得出其原因則需要進一步的研究。

### 熱核融合

勞倫斯伯克利國家實驗室首次於 2006 年研究了鈾 - 238 目標與磷 - 31 發射體之間的反應。

　
: 238 
92U 
  + 31 
15P 
  → 264 
107Bh 
  + 5 
n

實驗結果還沒有被發佈，但初步結果似乎表明可能來自 264Bh 的自發裂變。

位於中國蘭州近代物理中心（IMP）研究了鋂 - 243 目標與鎂 - 26 發射體之間的反應，以合成新的同位素 265Bh，以及蒐集有關 266Bh 的更多數據：

　
: 243 
95Am 
  + 26 
12Mg 
  → 269−x 
107Bh 
  + x 
n 

 (x = 3, 4, 5)

研究人員進行了兩組實驗，並測量了釋放 3、4 或 5 顆中子的部分激發函數。

日本理化學研究所的團隊首次於 2008 年研究了鋦 - 248 目標和鈉 - 23 之間的反應，以瞭解 266Bh 的衰變屬性。該同位素是他們所聲稱的鉨衰變鏈中的產物：

　
: 248 
96Cm 
  + 23 
11Na 
  → 271−x 
107Bh 
  + x 
n 

 (x = 4, 5)

同位素 266Bh 進行 α 衰變，能量為 9.05 至 9.23 MeV。這項結果在 2010 年得到進一步證實。

首次利用熱核融合嘗試合成𨨏的實驗是在 1979 年由杜布納的團隊進行的。他們使用氖 - 22 發射體和鉳 - 249 目標：

　
: 249 
97Bk 
  + 22 
10Ne 
  → 271−x 
107Bh 
  + x 
n 

 (x = 4, 5)

該反應在 1983 年得到重復，與首次一樣，研究團隊並沒有探測到任何來自𨨏原子核的自發裂變。更近期的實驗利用熱核融合合成高中子數的穩定的𨨏同位素，從而首次開始對𨨏進行化學研究。1999 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊聲稱發現了長半衰期的 267Bh（5 個原子）和 266Bh（1 個原子）同位素。兩者之後都得到了證實。位於瑞士伯爾尼的保羅謝爾研究所（PSI）其後在第一次實際研究𨨏的化學特性時，又合成了 6 個 267Bh 原子。

### 作為衰變產物

𨨏也在更高原子序的元素衰變時作為產物被發現。䥑是其中一種這樣的元素，它共有 7 個已知的同位素，全部都進行 α 衰變，形成𨨏原子核，質量數從 262 到 274 不等。䥑本身也可以是錀、鉨、鏌或鿬的衰變產物。至今發現的元素當中，除以上的之外沒有別的可以衰變成𨨏。例如在 2010 年 1 月，杜布納的研究團隊通過 Uus 的 α 衰變鏈發現了𨨏-274：

　
: 294 
117Ts 
  → 290 
115Mc 
  + 4 
2He

　
: 290 
115Mc 
  → 286 
113Nh 
  + 4 
2He

　
: 286 
113Nh 
  → 282 
111Rg 
  + 4 
2He

　
: 282 
111Rg 
  → 278 
109Mt 
  + 4 
2He

　
: 278 
109Mt 
  → 274 
107Bh 
  + 4 
2He

## 同位素

如同其他高原子序的超重元素，𨨏的所有同位素都具有極高的放射性，壽命短暫，非常不穩定。𨨏的一些同位素已在實驗室中成功合成，所用方法有兩種：高速撞擊兩種原子核以產生核融合，或製造出更高的元素並觀測其衰變產物。目前正式發現了的𨨏同位素有 11 種，質量數分別為 260–262、264–267、270–272、274，其中壽命最長的是𨨏-270，半衰期約 61 秒，而𨨏-262 擁有已知的亞穩態。這些同位素都會經 α 衰變，然而某些仍未被發現的𨨏同位素理論上會進行自發裂變。

### 穩定性與半衰期

較輕的𨨏同位素一般有較短的半衰期。260Bh、261Bh、262Bh、262mBh 和 263Bh 的半衰期在 100 毫秒以下。同位素 264Bh、265Bh、266Bh 和 271Bh 較為穩定，半衰期在 1 秒左右，而 267Bh 和 272Bh 則有大約 10 秒的半衰期。質量最高的同位素最為穩定，其中 270Bh 和 274Bh 分別有大約 61 秒和 54 秒的半衰期。未知的 273Bh 和 275Bh 同位素預期將會有更長的半衰期，分別為 90 分鐘和 40 分鐘。值得注意的是，在被發現之前，理論預計的 274Bh 半衰期也長達 90 分鐘左右，但最終實際只有 54 秒。

高質子量的 260Bh、261Bh 和 262Bh 是直接由冷核融合產生的，262mBh 和 264Bh 則是在䥑和錀的衰變鏈中被發現的。高中子量的 266Bh 和 267Bh 是通過向錒系元素目標進行放射產生的。中子量最高的四個同位素 270Bh 、271Bh 、272Bh 和 274Bh 分別是在 282Nh、287Mc 和 288Mc 和 294Nh 的衰變鏈中發現的。後七個同位素的半衰期在 8 毫秒至 1 分鐘不等。

### 同核異構物

**262Bh**

𨨏的唯一一個確定的同核異構物出現在 262Bh。直接和成 262Bh 會產生兩種狀態：基態和一個同核異能態。已證實，基態會經 α 衰變，放射的 α 粒子能量為 10.08、9.82 和 9.76 MeV，半衰期為 84 毫秒。激發態也通過 α 衰變，放射的 α 粒子能量為 10.37 和 10.24 MeV，半衰期為 9.6 毫秒。

## 化學特性

### 推算

𨨏預計是元素週期表中 6d 系過渡金屬的第四個元素，也是 7 族元素中最重的一個，位於錳、鎝和錸之下。該族的所有元素都擁有明顯的 + 7 氧化態，其穩定性隨著質量的增加而提升。因此𨨏也預計會有穩定的 + 7 態。鎝同時也有穩定的 + 4 態，而錸擁有穩定的 + 4 和 + 3 態。𨨏也有可能擁有這些較低的氧化態。

該族的重元素會形成具揮發性的七氧化物 M2O7，所以𨨏應該會形成具揮發性的 Bh2O7。這個氧化物應該會在水中溶解，形成高𨨏酸 HBhO4。錸和鎝在其氧化物的鹵化反應後能夠形成鹵氧化物 MO3Cl，所以 BhO3Cl 也可能會在這種反應中產生。該族較重元素的氧化物在氟化反應會產生 MO3F 和 MO2F3，而錸則另外會形成 ReOF5 和 ReF7。因此，𨨏也應會產生這些氟氧化物，從而證實它會延續 7 族元素的化學特性。

### 化學實驗

1995 年第一次嘗試分離𨨏元素的實驗以失敗告終。

儘管相對論效應頗為重要，不過 107 號元素仍然是個典型的 7 族元素，這在 2000 年得到證實。

2000 年，保羅謝爾研究所的團隊利用 267Bh 原子進行了化學反應。這些𨨏原子是 Bk-249 和 Ne-22 離子的融合產物。這些原子在經過熱能化後，與 HCl/O2 混合物反應，並形成一種具揮發性的氯氧化物。這條反應也同時產生了同族的較輕元素鎝（同位素為 108Tc）及錸（同位素為 169Re）。測量出來的吸附等溫線明確指出一種揮發性氯氧化物的產生，其特性和氯氧化錸相似。這證實𨨏是一個典型的 7 族元素。

　
: 2 Bh + 3 O 
2 + 2 HCl → 2 BhO 
3Cl + H 
2

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

* 元素𨨏在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 𨨏（英文）
* 元素𨨏在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素𨨏在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 𨨏（英文）
* Los Alamos National Laboratory – Bohrium（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Properties of BhO3Cl