Uue的同位素

**Uue**（英語：Ununennium，化學符號為 **Uue**）是一種尚未被發現的化學元素，原子序數是 119。直到這個元素被發現、確認並確定了永久名稱之前，_Ununennium_ 和 _Uue_ 分別為這個元素的暫時系統命名和化學符號。在元素週期表里，Uue 預測是 s 區元素和鹼金屬，也是第一個第 8 周期元素。它是目前最輕的未發現元素。

日本的理化學研究所正在嘗試合成該元素，俄羅斯杜布納聯合原子核研究所也在計劃合成。理論和實驗證據表明，Uue 的合成很可能比之前的元素要困難得多，甚至可能是目前技術可以合成的倒數第二個元素。

Uue 在第七種鹼金屬的位置表明它會和較輕的同類物有相似的性質。不過，相對論效應可能會導致 Uue 的某些性質與直接用元素周期律推測的性質不同。舉個例子，Uue 預測會比銫和鍅更不活潑，反應性更像鉀或銣。Uue 會有鹼金屬特徵性的 + 1 氧化態，但預測也有其它鹼金屬都未知的 + 3 氧化態。

## 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素（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素。

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，而非由不同的核素引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核素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

超重元素是通過核融合產生的。根據產物複合原子核的激發能量，這些核融合反應可以分為熱核融合和冷核融合。在熱核融合中，非常輕、高能量的發射體加速砸向非常重的目標（錒系元素），產生的複合原子核有高激發能量（~40–50 MeV）。它們可能會直接裂變，或是放出多顆（3 到 5）中子。在冷核融合反應中，會使用更重的第 4 周期元素發射體，以及較輕的鉛和鉍目標。產生的複合原子核的激發能量相對較低（~10–20 MeV），減少了直接裂變的可能性。當產生的複合原子核回到基態後，它們只需要發射一到兩顆中子。不過，熱核融合反應可以產生有更多中子的產物，因為錒系元素在所有可以大量製造的元素中有最高的中子 / 質子比。

Uue 和 Ubn（元素 119 和 120）都是還沒被發現的元素中，原子序最低的。由於反應的截面減少，半衰期也可能很短（微秒級別），嘗試合成它們將突破當前技術的極限。Ubu（元素 121）之後的元素因為半衰期太短，會在到達探測器之前的一微秒內衰變，所以當前技術可能無法檢測到它們。檢測到元素 121 到 124 的可能性在很大程度上取決於所使用的理論模型，因為它們的半衰期預計非常接近一微秒。此前，超重元素合成中的重要幫助來自𨭆-270 周圍變形的核殼層，增加了周圍核素的穩定性。此外，接近穩定的富中子同位素鈣 - 48 可用作發射體，產生更多超重元素的富中子同位素。超重元素原子核的中子越多，它就預計越接近穩定島。即便如此，合成出來的同位素的中子數仍然比穩定島中預期的要少。此外，使用鈣 - 48 發射體來合成 Uue 需要鑀做的目標，後者難以大量製備（只能合成微克級別，而鉳和鉲可以做到毫克級別），所以更重的超重元素更實際的合成方法將會需要比 48Ca 重的發射體。

### 嘗試合成

#### 以前

1985 年，人們在加州伯克利的 superHILAC 加速器通過用鈣 - 48 離子轟擊鑀 - 254，首次嘗試合成 Uue：

　
: 254 
99Es 
  + 48 
20Ca 
  → 302 
119Uue 
\* → 沒有原子

反應沒有檢測到任何原子，截面上限為 300 nb。之後的計算認為 3n 反應（產物為 299Uue 和三個中子）的截面實際上少了六十萬倍，為 0.5 pb。

1999 年，勞倫斯伯克利國家實驗室通過 208Pb 和 86Kr 的反應，聲稱合成了 293Og。因此，類似的反應 209Bi + 86Kr 和 208Pb + 87Rb 被提議用於合成元素 119 和它未知的 α 衰變產物 —— 元素 117、115 和 113。2001 年這些結果的撤回和最近對冷聚變反應截面的計算對這種可能性提出了質疑。舉個例子，209Bi + 86Kr 反應的橫截面上限預測為 2 fb。放射性的發射體可以提供利用鉛或鉍目標的替代方法，可以產生更多富中子的同位素。

從 2012 年 4 月到 9 月，在德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心通過用鈦 - 50 轟擊鉳 - 249，嘗試合成 295Uue 和 296Uue。249Bk 和 50Ti 的反應被預測為實際上製備 Uue 最有利的反應，因為反應比較不對稱，儘管反應有點冷。254Es 和 48Ca 的反應更好，但是製備毫克量級的 254Es 來作為目標很難。而且，鉳 - 249 會衰變成下一個元素鉲 - 249，半衰期只有短短的 327 天，所以可以同時尋找元素 119 和 120。然而，由於發射體從 48Ca 改成了 50Ti，Uue 的預期產量將除以二十倍，因為產量在很大程度上取決於聚變反應的不對稱性。由於預計 Uue 的半衰期較短，GSI 團隊使用了能夠在微秒內記錄衰變事件的新型快速電子設備。

　
: 249 
97Bk 
  + 50 
22Ti 
  → 299 
119Uue 
\* → 沒有原子

　
: 249 
98Cf 
  + 50 
22Ti 
  → 299 
120Ubn 
\* → 沒有原子

元素 119 和元素 120 都沒有被發現，這意味著在這些反應中生成元素 119 的限制截面為 65 fb，而生成元素 120 的限制截面為 200 fb。在該反應中生產元素 119 的預測實際橫截面約為 40 fb，是當前技術的極限。（記錄中有最低截面的成功反應是 209Bi 和 70Zn 反應產生鉨的反應，為 30 fb。）這個實驗原本會持續到 2012 年 11 月，但實驗人員把發射體改成 48Ca 以確認鿬的發現，提早結束實驗。

#### 現在

位於日本埼玉縣和光市的理化學研究所團隊在 2018 年 6 月開始用釩 - 51 轟擊鋦 - 248 目標來合成 Uue。由於較重的鉳或鉲難以製備，他們選擇了鋦來作為目標。由於反應的不對稱性降低，預計的截面大約減半，需要至少 30 fb 的靈敏度。這些 248Cm 目標由橡樹嶺國家實驗室提供，他們也為鿬（元素 117）的合成中提供了 249Bk 目標。實驗開始於回旋加速器，而理化學研究所於 2020 年升級了它的直線加速器。兩台機器都可以繼續轟擊，直到觀察到第一個事件，該實驗目前是間歇性運行，每年至少進行 100 天。理化學研究所仁科中心主任延與秀人預測，到 2022 年時可能會發現元素 119 和 120。理化學研究所團隊的嘗試會由天皇資助。

　
: 248 
96Cm 
  + 51 
23V 
  → 299 
119Uue 
\* → 現在還沒有原子

產生的 Uue 同位素預計會進行兩次 α 衰變，產生鏌的已知同位素（288Mc 和 287Mc）。在這之後已知會發生五個 α 衰變事件，就可以證實它們的發現。這些反應的預測截面約為 10 fb。

#### 計劃中

俄羅斯杜布納聯合原子核研究所的團隊計劃開始使用 249Bk + 50Ti 反應來合成 Uue。

日本的理化學研究所和俄羅斯的 JINR 實驗室最適合這些實驗，因為它們是世界上唯一可以進行低截面反應的實驗室。

### 命名

根據門捷列夫對未發現元素的命名方法，Uue 可稱為 _eka - 鍅_。1979 年，IUPAC 發布了有關新元素命名的建議，根據這一規則 119 號元素應稱為 _ununennium_，化學符號 _Uue_。儘管這在化學界的各個層面，從化學課堂到高級教科書都在廣泛使用，但在超重元素理論或實驗上工作的科學家中，這些建議大多被忽視，並將這個元素稱之為「元素 119」，化學符號 _E119_、_(119)_ 或 _119_。

## 預測性質

### 核穩定性和同位素

原子核的穩定性在鋦（元素 96）之後迅速下降，它的半衰期比其它原子序更高的元素高了四個數量級。鍆（元素 101）之後的元素的半衰期都少於 30 個小時。在鉛（元素 82）之後的元素都沒有穩定同位素。儘管如此，由於尚未完全了解的原因，在原子序 110 至 114 周圍的原子核的穩定性略微增加，這導致了核物理學中所謂的「穩定島」的出現。加利福尼亞大學伯克利分校的格倫・西奧多・西博格教授提出的這個概念解釋了為什麼超重元素的半衰期比預測的要長。

291–307Uue 預測的 α 衰變半衰期都是微秒級別的，其中 294Uue 的 α 衰變半衰期最長，預測約 485 微秒。不過如果算上所有的衰變方式，它們的半衰期預測只剩幾十微秒。更重的同位素應該會更穩定。1971 年，Fricke 和 Waber 預測 315Uue 是 Uue 最穩定的同位素。這會對 Uue 的合成產生影響，因為半衰期低於一微秒的同位素會在到達探測器之前衰變，而較重的同位素無法通過任何已知可用目標和發射體的碰撞來合成。然而，新的理論模型表明，質子軌道 2f7/2（會在元素 114 填充）和 2f5/2（會在元素 120 填充）之間的能量差距比預期的要小，使得元素 114 不再是穩定的球形封閉原子核，而這個能隙可能會增加元素 119 和 120 的穩定性。下一個有雙幻數的原子核預計在 306Ubb（元素 122）周圍，但是該核素預期的低半衰期和低截面使其合成具有挑戰性。

### 原子和物理性質

作為第一個第 8 周期元素，Uue 預測是鹼金屬，在元素週期表中的位置在鋰、鈉、鉀、銣、銫和鍅之下。這些元素在最外層的 s 軌道中都有一個價電子（價電子排布 _n_s1），這個電子在化學反應中可以輕易失去，形成 + 1 氧化態。因此，鹼金屬是反應性很高的元素。Uue 預計會延續這個趨勢，價電子的排布為 8s1。因此，人們預計 Uue 的行為很像它的較輕的同類物。然而據預測，它在某些特性上與較輕的鹼金屬不同。

Uue 和其它鹼金屬有不同之處的主要原因是自旋 - 軌道作用 —— 電子運動與自旋之間的相互作用。自旋 - 軌道作用對於超重元素尤其強烈，因為它們的電子比輕原子中的電子移動得更快，速度與光速相當。在 Uue 原子中，7p 和 8s 電子能級下降，對應的電子變得穩定，但有兩個 7p 電子能級要比其它四個更穩定。這個效應被稱為亞層分裂，因為它將 7p 亞層分裂成更穩定和更不穩定的部分。計算化學家將這種分裂理解為角量子數 _l_ 從 1 分裂成 1/2 和 3/2，分別為 7p 亞層較穩定和較不穩定的部分。因此，Uue 外層的 8s 電子變得穩定，會比預期更難移除，而 7p3/2 電子則變得不穩定，可能允許它們參與化學反應。最外層 s 軌道（在鍅中就已經很重要）的這種穩定性是影響 Uue 的化學性質的關鍵因素，並會導致鹼金屬的原子和分子性質的所有趨勢在銫之後反轉。

由於外層的 8s 電子變得穩定，Uue 的第一電離能（從電中性原子中移除一個電子所需的能量）預測為 4.53 eV，比鉀之後的所有鹼金屬都高。這個影響是如此的大，使得 Ubu（元素 121）預測有比 Uue 更低的電離能，為 4.45 eV。因此，第 8 周期的鹼金屬 Uue 不是整個周期電離能最低的，這和之前的所有周期不同。Uue 的電子親和能預計遠大於銫和鍅。它的電子親和能比所有更輕的鹼金屬都高，為 0.662 eV，接近於鈷（0.662 eV）和鉻（0.676 eV）。相對論效應也會導致 Uue 的極化性大幅下降到 169.7 a.u.。事實上，計算出來的 Uue 的靜態偶極極化性（αD）很小，接近於鈉。

Uue 的類氫原子（只有一個電子的原子）——Uue118+ 的電子預測會非常快地移動，使得它的質量是靜止電子的 1.99 倍，是相對論效應的特徵。作為比較，鍅的類氫原子的電子質量為 1.29，銫的則為 1.091。根據相對論的簡單外推，這間接表明了 Uue 的原子半徑會收縮到只有 240 pm，很接近銣的 247 pm，而 Uue 的金屬半徑也相應降低到 260 pm。Uue+ 的離子半徑預測為 180 pm。

Uue 的熔點預測在 0℃和 30℃之間，所以在室溫下可能是液體。人們還不知道這是否符合熔點繼續降低的趨勢，因為銫的熔點為 28.5℃，而鍅的熔點估計約為 8.0℃。Uue 的沸點預測在 630℃左右，類似鍅的 620℃左右，它們都比銫的 671℃低。Uue 的密度預計在 3 到 4 g/cm3 之間，符合隨著族往下密度一直增加的趨勢：鍅的密度預測為 2.48 g/cm3，而銫的密度是 1.93 g/cm3。

### 化學性質

Uue 的化學性質預測類似鹼金屬，但它的性質比起銫或鍅，會更像鉀或銣。這是由於相對論效應導致的，如果不存在相對論效應，元素周期律將預測 Uue 比銫和鍅更具反應性。由於相對論效應穩定了它的價電子，增加了第一電離能，使得 Uue 的反應性、金屬半徑和離子半徑降低了。這個效應在鍅中就已經出現了。

+1 氧化態的 Uue 的化學性質比起鍅會更像銣。另一方面，由於變得不穩定而比其它 p 軌道大的 7p 軌道，Uue+ 的離子半徑預測大於 Rb+。除了其它鹼金屬特徵性且主要的 + 1 氧化態以外，Uue 可能也有在其它鹼金屬都未發現的 + 3 氧化態。這是因為 7p3/2 軌道的不穩定和膨脹，導致其電子的電離能低於預期。由於成鍵時也涉及了 7p3/2 電子，很多 Uue 的化合物都預計有很大的共價性。這個效應也在鍅中出現，其中超氧化鍅（FrO2）的成鍵中有一些 6p3/2 的成分。因此，Uue 不能替代銫，成為電正性最高的元素，而它的電負性最有可能接近鈉的 0.93（鮑林標度）。Uue+/Uue 的標準電極電勢預測為−2.9 V，和 Fr+/Fr 一樣只是略微大於 K+/K 的−2.931 V。

　
:

在氣相中以及在非常低溫下的凝聚相中，鹼金屬會形成以共價鍵鍵合的雙原子分子。在這些 M2 分子裡，它們的金屬 - 金屬鍵長從 Li2 到 Cs2 一直增加，但由於上述 8s 軌道的相對論效應，Uue2 的鍵長下降。在這些分子的鍵解離能中有相反的趨勢，其中 Uue–Uue 鍵應該比 K–K 鍵略強。Uue 的升華熱（Δ_H_sub）預測為 94 kJ/mol（鍅的值在 77 kJ/mol 左右）。

由於 Uue 的高電子親和能，UueF 分子預計有顯著的共價性。UueF 中的成鍵主要是 Uue 的 7p 軌道和氟的 2p 軌道成的鍵，來自氟的 2s 軌道和 Uue 的 8s、6dz2 和其它兩個 7p 軌道對鍵的貢獻較少。這和其它 s 區元素、金和汞的行為非常不同，它們使用 s 軌道（有時混合 d 軌道）來成鍵。Uue–F 鍵因為相對論效應把 7p 軌道分成 7p1/2 和 7p3/2 而擴張，這和氫化物 AtH 和 TsH 的鍵擴張類似。Uue–Au 鍵將會是金和鹼金屬之間最弱的鍵，但仍然是穩定的。通過外推，可以給出 Uue 的吸附焓（−Δ_H_ads）：在金上為 106 kJ/mol（鍅的值是 136 kJ/mol）、在鉑上為 76 kJ/mol、在銀上為 63 kJ/mol，都是鹼金屬之中最低。這些數據表明，在由貴金屬製成的表面上研究 Uue 的色譜法吸附是可行的。Uue 在聚四氟乙烯表面的吸附焓預測為 17.6 kJ/mol，是鹼金屬當中最低的。這些信息對於 Uue 未來的化學實驗非常有用。鹼金屬的 Δ_H_sub 和−Δ_H_ads 值都不成比例相關，因為它們會隨著原子序數的增加而向相反的方向變化。

## 注釋

## 參考資料

## 擴展閱讀

* Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties (PDF). Chinese Physics C. 2017, **41** (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
* Beiser, A. Concepts of modern physics 6th. McGraw-Hill. 2003. ISBN 978-0-07-244848-1. OCLC 48965418.
* Hoffman, D. C.; Ghiorso, A.; Seaborg, G. T. The Transuranium People: The Inside Story. World Scientific. 2000. ISBN 978-1-78-326244-1.
* Kragh, H. From Transuranic to Superheavy Elements: A Story of Dispute and Creation. Springer. 2018. ISBN 978-3-319-75813-8.
* Zagrebaev, V.; Karpov, A.; Greiner, W. Future of superheavy element research: Which nuclei could be synthesized within the next few years?. Journal of Physics: Conference Series. 2013, **420** (1). 012001. Bibcode:2013JPhCS.420a2001Z. ISSN 1742-6588. S2CID 55434734. arXiv:1207.5700 . doi:10.1088/1742-6596/420/1/012001.

## 外部連結

* 元素 Uue 在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – Uue（英文）