Actinium

**錒**（拼音：ā，注音：ㄚ；英語：**Actinium**），是一種化學元素，其化學符號為 **Ac**，原子序數為 89，位居錒系元素之首。在元素週期表中，錒系元素始於錒，止於鐒，一共有 15 種元素。錒是一種柔軟的銀白色金屬，具強放射性。在空氣中，錒會迅速與氧氣和水氣反應，在表面形成具保護性的白色氧化層。和大部份鑭系元素及錒系元素一樣，錒的氧化態一般是 + 3。

錒在 1899 年被發現，是首個得到分離的非原始核素（non-primordial radioactive element）。雖然釙、鐳和氡比錒更早被發現，但是科學家到 1902 年才分離出這些元素。

錒具有高度的放射性，最穩定的同位素是 227Ac，會進行 β 衰變，半衰期為 21.772 年。由於缺乏長壽命的同位素，在自然界中只有痕量的錒出現在鈾礦石當中，以 227Ac 為主，為 235U 的衰變產物。每一噸鈾礦石約含 0.2 毫克的錒元素。由於錒和鑭的化學和物理特性過於接近，因此要從礦石中分離出錒元素並不現實。科學家則是在核反應爐中以中子照射鐳 - 226 來生產錒的。

錒因為稀少、昂貴，且具強放射性，所以沒有大的工業用途。目前錒被用作中子源，以及在放射線療法中作為輻射源。

## 歷史

法國化學家安德烈 - 路易・德比埃爾內在 1899 年宣佈發現新元素。在瑪莉・居禮和皮埃爾・居禮從瀝青鈾礦中分離出鐳之後，德貝爾恩接著從殘留物中再分離出這一新元素。他認為該元素與鈦和釷相似，並將其命名為「actinium」。德國化學家弗裡德里希・奧斯卡・吉塞爾則在 1902 年獨立發現了錒元素。他認為錒與鑭相似，並在 1904 年將其命名為「emanium」。科學家在比較德貝爾恩所得出的半衰期數據後，決定依最早發現者的意願把該元素正式定名為「actinium」。

錒的原文名稱「actinium」源自古希臘語中的「ακτίς」、「ακτίνος」（「aktis」、「aktinos」），意為光線。其化學符號為 Ac，但 Ac 也同時是其他化學品的縮寫，如乙醯基、乙酸鹽和乙醛，但錒與這些並無關係。

## 屬性

錒是一種柔軟的銀白色放射性金屬。其剪切模量估計與鉛相近。錒的放射性很強，它放射出的高能粒子足以把四周的空氣電離，因而發出暗藍色光。錒的化學屬性與包括鑭在內的鑭系元素相近，因此要將錒從鈾礦石中分離出來十分困難。分離過程一般使用溶劑萃取法和離子層析法。

錒是首個錒系元素。這些元素彼此間的特性比鑭系元素更多元化，因此直到 1945 年，格倫・西奧多・西博格才提出為元素週期表加入錒系元素。這是自從德米特里・門捷列夫創造元素週期表以來對週期表最大的變動之一。

錒在空氣中會與氧氣、水氣迅速反應，在表面產生白色的保護性氧化層。與大部份鑭系和錒系元素一樣，錒的氧化態通常是 + 3；Ac3+ 離子在溶液中無色。錒的電子排布是 6d17s2，所以當失去 3 個電子後，就會形成穩定的閉殼層，與惰性氣體氡一樣。錒的 + 2 態只出現在二氫化錒（AcH2）中。

## 化合物

已知的錒化合物非常少，其中有三氟化錒（AcF3）、三氯化錒（AcCl3）、三溴化錒（AcBr3）、氟氧化錒（AcOF）、氯氧化錒（AcOCl）、溴氧化錒（AcOBr）、三硫化二錒（Ac2S3）、氧化錒（Ac2O3）和磷酸錒（AcPO4）等。除 AcPO4 以外，這些化合物都具有 + 3 氧化態，且都有相對應的鑭化合物。對應的鑭和錒化合物在晶格常數上的差異不超過百分之十。

上表中的 _a_、_b_ 和 _c_ 為晶格常數，_Z_ 為每晶胞所含的化學式單元數。密度並非實驗數據，而是從晶體參數中計算得出的。

### 氧化物

在真空中把氫氧化錒加熱至 500°C 或把草酸錒加熱至 1100°C，可製成氧化錒（Ac2O3）。氧化錒的晶體結構與大部份三價稀土金屬的氧化物同型。

### 鹵化物

三氟化錒的合成反應可以在液態或固態下進行。前者在室溫下進行，需將氫氟酸加入含有錒離子的溶液中。後者需對錒金屬施以氟化氫氣體，反應要在 700°C 下進行，並必須使用全鉑製器材。在 900 至 1000°C 下，三氟化錒會和氫氧化銨反應形成氟氧化錒（AcOF）。雖然三氟化鑭在空氣中以 800°C 燃燒一小時後就可以產生氟氧化鑭，但是類似的方法無法產生氟氧化錒，而是會把三氟化錒熔解。

　
: AcF3 + 2 NH3 + H2O → AcOF + 2 NH4F

氫氧化錒或草酸錒與四氯化碳在 960°C 以上溫度反應會產生三氯化錒。同樣，三氯化錒與氫氧化銨在 1000°C 反應會形成氯氧化錒。但與氟氧化錒不同的是，三氯化錒在氫氯酸溶液中用氨點燃就可以產生氯氧化錒。

溴化鋁與氧化錒反應後，會形成三溴化錒：

　
: Ac2O3 + 2 AlBr3 → 2 AcBr3 + Al2O3

在 500°C 加入氫氧化銨，可以產生溴氧化錒（AcOBr）。

### 其他化合物

三氯化錒在 300°C 下經鉀還原後，可形成氫化錒，其結構可從氫化鑭（LaH2）的結構推測而得。該反應中氫的來源不明。

在含錒的氫氯酸溶液中加入磷酸二氫鈉（NaH2PO4），會產生白色的半水合磷酸錒（AcPO4·0.5H2O）。草酸錒和硫化氫氣體在 1400°C 受熱幾分鐘，會產生黑色的硫化錒（Ac2S3）。

## 同位素

錒一共有 36 種已知同位素，全部都具有放射性。這些同位素的原子量介乎 206 u（206 
Ac）和 236 u（236 
Ac）。其中最穩定的有：227 
Ac（半衰期為 21.772 年）、225 
Ac（10.0 天）和 226 
Ac（29.37 小時）。其餘的同位素的半衰期都小於 10 小時，大部份甚至小於 1 分鐘。壽命最短的錒同位素是 217 
Ac，其半衰期只有 69 奈秒，會進行 α 衰變和中子捕獲。錒擁有兩個亞穩態（同核異構體）。

自然界中的錒元素主要由 227 
Ac 組成，此外還有極微量的 225 
Ac 和 228 
Ac。純化後的 227 
Ac 在 185 天後與衰變產物達成平衡。它主要進行 β 衰變（98.8%），以及少量的 α 衰變（1.2%）。這些衰變的產物都屬於錒衰變系。227 
Ac 發射的 β 粒子能量較低（46 keV），α 輻射的強度較低，可用樣本也一般很少，所以很難直接探測到 227 
Ac。因此科學家一般以探測其衰變產物的方法來推算 227 
Ac 的量。

## 存量及合成

錒元素在地球上十分稀少，只有痕量的 227Ac 同位素出現在鈾礦石中：每噸鈾礦石只含有大約 0.2 毫克的錒。227Ac 是錒衰變系中的其中一個短暫存在的同位素。該衰變鏈始於 235U（或 239Pu），止於穩定同位素 207Pb。225Ac 則是錼衰變系中短暫存在的同位素。該衰變鏈始於 237Np（或 233U），止於近似穩定的 209Bi 和穩定的 205Tl。惟自然界中的錼衰變系早已衰變殆盡，現時地殼中的 237Np 主要由 238U 發生核散裂而痕量生成。

含有錒的礦石中也同時含有鑭及其他鑭系元素。然而這些元素的化學、物理特性與錒非常接近，再加上錒含量更為稀少，因此從礦石中分離出錒元素的做法並不具實際性，科學家也從未完全分離出錒。錒元素則通常是在核反應爐中用中子照射 226Ra 產生的，每次產量以毫克計。

　
: $\mathrm {^{226}_{\ 88}Ra\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 88}^{227}Ra\ {\xrightarrow[{42.2\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 89}^{227}Ac} $

該反應的錒產量約為鐳重量的 2%。227Ac 可再捕獲中子，形成少量的 228Ac。合成過後，錒需從鐳以及其他的衰變產物中分離出來，這些產物包括釷、釙、鉛和鉍。第一種分離法使用噻吩甲醯三氟丙酮和苯的混合溶液。調整該溶液的 pH 值，可從含衰變產物的溶液中萃取出特定的元素（錒需要 pH 6.0 左右）。另一種分離法是在硝酸中以適當的樹脂進行負離子交換法，先把鐳和錒與釷分離開來（分離係數為 1 百萬），再用正離子交換樹脂和硝酸洗脫液把錒從鐳中提取出來（係數為 100）。

德國和澳洲的科學家在 2000 年首次人工合成 225Ac。德國超鈾元素研究所所使用的是迴旋加速器，而澳洲的研究人員則使用位於雪梨聖喬治醫院的直線加速器。其合成方法為，對鐳 - 226 目標體進行 20 至 30 MeV 能量氘離子撞擊。這一反應同時會產生半衰期為 29 小時的 226Ac 同位素，但由於 225Ac 的半衰期有 10 天，所以前者不會對後者造成不純。225Ac 是一種稀有的同位素，在放射線療法中有潛在的用途。

在 1100 至 1300°C 間以鋰氣體對氟化錒進行還原反應，可以產生錒金屬。太高的溫度會使產物氣化，而太低溫則會導致反應不能完全進行。鋰的氟化物揮發性比其他鹼金屬的高，因此最適合用於這一反應中。

## 應用

由於存量稀少，價格昂貴，所以錒目前並無重要的工業用途。

227Ac 放射性很強，因此有潛力用於放射性同位素熱電機中，應用範圍包括太空飛行器。227Ac 的氧化物和鈹壓製後可以作為高效能中子源，其活度高於一般的鋂﹣鈹和鐳﹣鈹中子源。這些應用利用的其實是 227Ac 的衰變產物。進行 β 衰變後所產生的同位素會釋放 α 粒子，而鈹則用於捕獲這些 α 粒子，並放出中子。鈹的 9Be (α,n) 12C 核反應截面較高，因此能高效地將 α 粒子轉換為中子。該反應的公式如下：

　
: $\mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}He\ \longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } $

227AcBe 可用於中子水份儀中，以測量土壤中的水份以及在建造公路時進行濕度、密度的質量檢驗。這類探測儀在測井、中子照相、斷層攝影術及其他放射性化學範疇中都有應用的空間。

225Ac 在醫學中用於製造 213Bi，或直接作放射線療法的輻射源。225Ac 的半衰期為 10 天，比 213Bi 的 46 小時更適合作放射線治療。225Ac 及其衰變產物所釋放的 α 粒子可以殺死身體內的癌細胞。最大的困難在於，簡單的錒配合物經靜脈注射進入體內後，會積累在骨骼和肝臟中，並停留數十年。持續的輻射在殺死癌細胞後，會引發新的突變。要避免這種問題，可將 225Ac 與螯合劑結合，例如檸檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）。這可降低錒在骨骼中的積累，但從身體排泄的量仍然不高。改用 HEHA 或耦合至曲妥珠單抗的 DOTA（1,4,7,10 - 四氮雜環十二烷 - 1,4,7,10 - 四羧酸）等螯合劑可以增加錒的排泄量。曲妥珠單抗是一種單株抗體，能夠干擾 HER2/neu 受體。科學家把錒與 DOTA 結合後注射到老鼠體內，發現療法有效對抗白血病、淋巴瘤、乳癌、卵巢癌、神經母細胞瘤和前列腺癌。

227Ac 的半衰期為 21.77 年，可用來研究海水的緩慢垂直混合作用。這種水流的速度大約為每年 50 米，因此直接測量是無法得到足夠的精度的。科學家通過探測各同位素在不同深度的相對比例變化，可以推算出混合作用的發生速率。具體的物理原理如下。海水含有均衡分佈的 235U。其衰變產物 231Pa 會慢慢沉澱到海底，所以其濃度會隨深度增加，並在一定的深度以下維持恆等。231Pa 再衰變成 227Ac。混合作用會把海底的 227Ac 提升上來，因此 227Ac 的濃度隨深度一直增加至海底。科學家分析 231Pa 和 227Ac 的濃度﹣深度關係，可以間接研究海水的混合作用。

## 安全

227Ac 的放射性極強，因此有關的實驗都必須在專業實驗室的手套箱中進行。當三氯化錒經靜脈注射進入老鼠體內後，約 33% 的錒元素積累在骨骼中，50% 進入肝臟。其毒性稍低於鋂和鈽。

## 參考資料

## 外部連結

* 元素錒在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 錒（英文）
* 元素錒在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素錒在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 錒（英文）
* NLM Hazardous Substances Databank – Actinium, Radioactive （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Actinium in Haire, Richard G. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean , 編. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer. 2006. ISBN 1-4020-3555-1.