第105號元素

**𨧀**（拼音：dù，注音：ㄉㄨˋ；英語：**Dubnium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Db**，原子序數為 105。𨧀是一種極具放射性的超重元素，其最穩定的已知同位素𨧀-268 的半衰期約為 28 小時，這也是原子序大於 101（鍆）的元素中最長壽的同位素。𨧀不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器少量合成。其英文名 Dubnium 源自位於俄羅斯的小鎮杜布納（Dubna），也是𨧀最早被合成出的地方。

在元素週期表中，𨧀是一個位於 d 區塊的過渡金屬，為第 7 週期、第 5 族的成員，同時屬於錒系後元素。化學實驗証實了𨧀的特性為鉭的較重的 5 族同系物，但目前人們對𨧀的化學特性所知不多。

在 1960 年代，蘇聯和美國加州的實驗室製造了微量的𨧀元素。兩國未能確定彼此的發現次序，因此雙方科學家對其命名發生了爭論，直到 1997 年國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）確認了蘇聯的實驗室最早合成該元素，並為雙方妥協而取名為 Dubnium。

## 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

### 發現

位於杜布納的聯合核研究所（當時在前蘇聯內）在 1968 年首次報告發現𨧀元素。研究人員以氖 - 22 離子撞擊鋂 - 243 目標。他們報告了能量為 9.40 MeV 和 9.70 MeV 的 α 活動，並認為這些活動指向同位素 260Db 或 261Db：

　
: 243 
95Am 
  + 22 
10Ne 
  → 265−_x_ 
105Db 
  + x 
n

兩年後，杜布納的團隊把產物與 NbCl5 反應後，對所得的氯化物使用溫度梯度色譜法分離了兩項反應產物。團隊在揮發性氯化物中，辨認出一次 2.2 秒長的自發裂變活動，有可能來自五氯化𨧀-261（261DbCl5）。

同年，在柏克萊加州大學，由阿伯特・吉奧索領導的團隊以氮 - 15 離子撞擊鉲 - 249，肯定性地合成了𨧀-260。𨧀-260 的所測得之 α 衰變半衰期為 1.6 秒，衰變能量為 9.10 MeV，子衰變產物為鐒 - 256：

　
: 249 
98Cf 
  + 15 
7N 
  → 260 
105Db 
  + 4 
n

由柏克萊加州大學科學家們得出的結果並沒有證實蘇聯科學家們的研究指出，𨧀-260 的衰變能量為 9.40 MeV 或 9.70 MeV 的結論。因此餘下𨧀-261 為可能成功合成的同位素。在 1971 年，杜布納的團隊利用改善了的試驗設備重復了他們的實驗，並得以証實𨧀-260 的衰變數據，所用反應如下：

　
: 243 
95Am 
  + 22 
10Ne 
  → 260 
105Db 
  + 5 
n

1976 年，杜佈納的團隊繼續用溫度梯度色譜法研究這條反應，並辨認出產物五溴化𨧀-260（260DbBr5）。

1992 年，IUPAC/IUPAP 鐨後元素工作小組評估了兩個團隊的報告，並決定雙方的研究成果同時證實對𨧀元素的成功合成，因此雙方應共同享有發現者的稱譽。

### 命名爭議

蘇聯團隊建議名稱 Nielsbohrium（Ns），以紀念丹麥核物理學家尼爾斯・玻爾。美國團隊則提出把新元素命名為 Hahnium（Ha，𫒢、𨮟），以紀念德國化學家奧托・哈恩。因此，Hahnium 一名在美洲及西歐廣為科學家們所用，並出現於許多當時的文獻中；而 Nielsbohrium 用於前蘇聯和東方集團國家。

兩個團隊就此對元素的命名產生了爭議。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）就採用了臨時的系統命名 Unnilpentium（Unp）。為了解決爭議，IUPAC 於 1994 年提出名稱 Joliotium（Jl，鐈），紀念法國物理學家弗雷德里克・約里奧 - 居里。此名原先由蘇聯團隊提議為元素 102 的名稱，而該元素最後名為鍩（Nobelium）。雙方仍在元素 104 至 106 的命名問題上達不到共識。

鑒於國際上對 104 至 107 號元素名均存在較大分歧，全國科學技術名詞化學名詞審定委員會根據 1997 年 8 月 27 日 IUPAC 正式對 101 至 109 號元素的重新英文定名，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 105 號元素中文名在《無機化學命名原則》(1980) 中曾定為「𰾉」（hǎn，繁體為𫒢，圖：），現根據 IUPAC 決定的英文名 Dubnium（Db），改定為「𨧀」（音同「杜」）。名稱源自為獲得該元素作過重要貢獻的前蘇聯杜布納聯合核子研究所的所在地俄羅斯小鎮杜布納。

IUPAC 表示，位於柏克萊的實驗室已經在多個元素的名稱中得到了承認（如鉳、鉲、鋂），且元素 104 和 106 已命名為鑪（以盧瑟福命名）和𨭎（以西博格命名），因此應在元素 105 的命名上承認俄羅斯團隊對發現元素 104、105 及 106 所作出的貢獻。

## 化學特性

### 推算的屬性

在元素週期表中，元素 105 預測為 6d 系中第二個過渡金屬，以及為 5 族最重的元素，位於釩、鈮、鉭之下。因為𨧀直接位於鉭以下，所以也能稱為 eka - 鉭。5 族元素有著明顯的 + 5 氧化態，而該特性在重 5 族元素中更為穩定。因此𨧀預計會形成穩定的 + 5 態。較重的 5 族元素也具有 + 4 和 + 3 態，所以𨧀也有可能形成這些具還原性的氧化態。

從鈮和鉭的化學特性推算，𨧀會與氧反應形成惰性的五氧化物 Db2O5。在鹼性環境中，預計會形成鄰𨧀錯合物 DbO3− 
4。與鹵素反應後，應形成五鹵化物 DbX5。鈮和鉭的五鹵化物呈揮發性固態或呈氣態的三角雙錐形單體分子。因此，DbCl5 預計將會是一種揮發性固體。同樣，DbF5 揮發性將更強。其鹵化物經水解後，即形成鹵氧化物 MOX3。因此𨧀的鹵化物 DbX5 應會和水反應形成 DbOX3。根據已知較輕的 5 族元素與氟離子的反應，預計𨧀在和氟離子反應後會形成一系列氟錯合物。其中五氟化物和氟化氫反應後會形成六氟𨧀酸離子 DbF− 
6。若氟化物過剩，則會形成 DbF2− 
7 和 DbOF2− 
5。如果𨧀的特性是鉭的延續，則更高的氟化物濃度會產生 DbF3− 
8，因為 NbF3− 
8 目前是未知的。

### 實驗化學

通過氣態熱色譜法，對𨧀的化學特性的研究已進行了幾年的時間。這些實驗研究了鈮、鉭和𨧀放射性同位素的相對吸收屬性。結果產生了典型的 5 族鹵化物及鹵氧化物：DbCl5、DbBr5、DbOCl3 及 DbOBr3。這些初期實驗的報告通常稱𨧀為 Hahnium（中文對應譯為「𫒢」）。

## 核合成歷史

### 冷核融合

本節有關以冷核融合反應合成𨧀原子核。這些過程在低激發能（約 10 至 20 MeV，因而稱為「冷」核融合）生成複核，裂變之後存活機率較高。處於激發狀態的原子核再衰變至基態，期間只發出一顆或兩顆中子。

**209Bi(50Ti,xn)259-xDb (x=1,2,3)**

首次嘗試合成𨧀的冷聚變反應在 1976 年由杜布納 Flerov 核反應研究所的團隊進行，使用的是以上的反應。他們探測到了一次 5 秒長的自發裂變活動，指向 257Db。其後改為指向 258Db。1981 年，位於重離子研究所的團隊利用改進了的母子體衰變關係法研究了該反應。他們證實探測到 258Db，1n 中子蒸發道的產物。在 1983 年，位於杜布納的團隊用化學分離後辨認衰變產物，重新進行了以上的反應。他們探測到了來自以 258Db 為首的衰變鏈中的已知產物的 α 衰變。這項發現成為了成功形成𨧀原子核的部分證據。重離子研究所的團隊在 1985 年重新進行反應，並探測到 10 個 257Db 原子。1993 年設施的重要更新之後，在 2000 年，團隊在 1n、2n 及 3n 激發函數測量了 120 次 257Db 的衰變、16 次 256Db 的衰變及一次 258Db 的衰變。整合到的 257Db 的數據使得團隊能夠首次研究這個同位素的光譜，辨認到一個同核異構物 257mDb 的同時，得到了首次對 257Db 衰變能級結構的確認。這條反應用於在 2003 至 2004 年對鍆和鑀的光譜研究當中。

**209Bi(49Ti,xn)258-xDb (x=2?)**

1983 年，尤里・奧加涅相和在杜布納的團隊研究了這條反應。他們觀察到了一次 2.6 秒長的自發衰變活動，初步指向 256Db。之後的結果指出應改為指向 256Rf，來自於電子捕獲分支比約為 30% 的 256Db。

**209Bi(48Ti,xn)257-xDb (x=1?)**

1983 年，奧加涅相和在杜布納的團隊研究了這條反應。他們觀察到了一次 1.6 秒長的活動，其中 α 衰變分支比約為 80%，自發衰變分支比約為 20%。這次活動初步指向 255Db，而其後的結果指出應改為指向 256Db。

**208Pb(51V,xn)259-xDb (x=1,2)**

杜布納的團隊在 1976 年研究了這條反應，再次探測到 5 秒長的自發裂變反應。活動起初指向 257Db，而後來改為指向 258Db。2006 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊在其單原子序發射物（odd-Z projectile）計劃中重新研究了該反應。他們在測量 1n 和 2n 中子蒸發道時，探測到 258Db 和 257Db。

**207Pb(51V,xn)258-xDb**

杜佈納的團隊在 1976 研究過這一反應，但這次並未探測到最初指向 257Db 而後來改為指向 258Db 的 5 秒長的自發衰變活動。他們卻探測到 1.5 秒長的自發衰變活動，最初指向 255Db。

**205Tl(54Cr,xn)259-xDb (x=1?)**

杜佈納的團隊在 1976 年研究了這一反應，再次探測到 5 秒長的自發裂變活動，最初指向 257Db，後來改為指向 258Db。

### 熱核融合

本節有關以熱核融合反應合成𨧀原子核。這些過程在高激發能（約 40 至 50 MeV，因而稱為「熱」核融合）生成複核，裂變及擬裂變之後存活機率較低。處於激發狀態的原子核再衰變至基態，期間發出 3 至 5 顆中子。

**232Th(31P,xn)263-xDb (x=5)**

Andreyev 等人於 1989 年在 Flerov 核反應研究所利用磷 - 31 束研究了該罕見的反應，但對此研究結果的報告非常有限。一處來源稱沒有探測到任何原子，而來自俄羅斯本國的另一更可靠來源稱，在 5n 通道合成了 258Db，產量為 120 pb。

**238U(27Al,xn)265-xDb (x=4,5)**

2006 年，在一項用鈾目標合成超重元素的研究項目中，勞倫斯伯克利國家實驗室的由 Ken Gregorich 領導的團隊研究了這條新反應的 4n 和 5n 通道的激發函數。

**236U(27Al,xn)263-xDb (x=5,6)**

Andreyev 等人在杜布納 Flerov 核反應研究所於 1992 年首次進行了對這條反應的研究。他們在 5n 和 6n 出射道觀察到 258Db 及 257Db，產量分別為 450 pb 和 75 pb。

**243Am(22Ne,xn)265-xDb (x=5)**

杜布納 Flerov 核反應研究所的團隊首次在 1968 年嘗試合成𨧀元素。他們觀察到兩條 α 線，初步指向 261Db 和 260Db。他們在 1970 年重複進行實驗，觀察自發裂變活動。發現的 2.2 秒長自發裂變活動指向 261Db。1970 年，杜布納的團隊開始使用溫度梯度色譜法，在化學實驗中探測𨧀的揮發性氯化物。第一次嘗試中，他們探測到具揮發性的自發裂變活動，其吸收特性類似於 NbCl5 而非 HfCl4。這表示，類釹原子核形成為 DbCl5。1971 年，他們用更高敏感度的工具重複進行了實驗，並觀測到類釹部分的 α 衰變。這成了形成 260Db 的證據。利用溴化物的形成，這個實驗在 1976 年再次進行，並取得幾乎相同的結果。這意味著產生了具揮發性及類釹特性的 DbBr5。

**241Am(22Ne,xn)263-xDb (x=4,5)**

2000 年，於蘭州現代物理中心的中國科學家們宣布發現了當時未知的 259Db 同位素，同位素在 4n 中子蒸發通道中形成。他們同時證實了 258Db 的衰變屬性。

**248Cm(19F,xn)267-xDb (x=4,5)**

保羅謝爾研究所首次在 1999 年研究了這項反應，從而產生 262Db 作化學實驗。實驗探測到 4 顆原子，截面為 260 pb。位於日本原子能研究所的科學家們在 2002 年進一步研究這條反應，並在研究𨧀的水溶化學時，確認產生出 262Db 同位素。

**249Bk(18O,xn)267-xDb (x=4,5)**

阿伯特・吉奧索在 1970 年於加州大學發現了 260Db 之後，其團隊在翌年又發現了新同位素 262Db。他們同時觀察到源頭未能確認的一次 25 秒長的自發裂變，可能與現在所知的 263Db 自發裂變支鏈有關。1990 年，勞倫斯伯克利國家實驗室中由 Kratz 帶領的一組團隊確切地發現了新同位素 263Db，同位素產生於 4n 中子蒸發通道中。這一團隊重複幾次利用這條反應，用以嘗試證實 263Db 的一條電子捕獲支鏈，該支鏈會產生半衰期較長的 263Rf 同位素（見鑪）。

**249Bk(16O,xn)265-xDb (x=4)**

阿伯特・吉奧索在 1970 年於加州大學發現了 260Db 之後，其團隊在翌年又發現了新同位素 261Db。

**250Cf(15N,xn)265-xDb (x=4)**

勞倫斯伯克利國家實驗室在 1970 年發現了 260Db 之後，在翌年又發現了新同位素 261Db。

**249Cf(15N,xn)264-xDb (x=4)**

勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊在 1970 年研究了這條反應，並在實驗中發現了同位素 260Db。他們用了現代的母子核衰變關係法證實了這個發現。1977 年，橡樹嶺國家實驗室團隊重複進行了實驗，通過辨認來自衰變產物鐒的 K 殼層 X 光，證實發現了同位素。

**254Es(13C,xn)267-xDb**

1988 年，勞倫斯利福莫耳國家實驗室的科學家在不對稱熱核融合反應中用鑀 - 254 作目標，以尋找新的核種：264Db 和 263Db。由於鑀 - 254 目標太小，實驗的敏感度太低，因此未能探測到任何蒸發殘餘。

### 更重核種的衰變

𨧀的同位素也是某些更高元素衰變中的產物。下表列出至今為止的觀測：

## 同位素

如同其他高原子序的超重元素，𨧀的所有同位素都具有高度放射性，半衰期很短，非常不穩定。目前已知壽命最長的同位素為𨧀-268，半衰期約為 28 小時，這也是原子序大於 101（鍆）的元素中最長壽的同位素，但這種同位素難以被製成。杜布納聯合原子核研究所於 2012 年的計算顯示，預計𨧀所有同位素的最長半衰期不會顯著超過一天。

### 同核異構物

**260Db**

近期有關 272Rg 的衰變數據指出，某些衰變鏈通過 260Db 時的半衰期比預期的長許多。這些衰變與同核異構物衰變有關，其進行 α 衰變時半衰期約為 19 秒。更進一步的研究能斷定更準確的衰變源。

**258Db**

在對 266Mt 和 262Bh 衰變的研究中，有 258Db 同核異構物存在的證據。這些經電子捕獲的衰變與經釋放 α 粒子的衰變的半衰期有著顯著的分別。這表示存在著一種以電子捕獲方式衰變，半衰期約為 20 秒的同核異構物的存在。更進一步的研究能斷定更準確的衰變源。

**257Db**

對 257Db 形成及衰變的研究已証實了一種同核異構物的存在。最初認為 257Db 進行 α 衰變，能量為 9.16、9.07 和 8.97 MeV。在測量這些衰變與 253Lr 的衰變的關係之後，證實能量為 9.16 MeV 的衰變屬於另外一種同核異構物。數據分析加上理論表示該活動的源頭為亞穩態 257mDb。基態進行 α 放射，能量為 9.07 和 8.97 MeV。近期實驗並沒有證實 257m,gDb 的自發裂變。

### 衰變階段光譜圖

**257Db**

### 撤回的同位素

**255Db**

1983 年，杜布納的科學家為了發現𨨏元素，進行了一系列的實驗。在其中兩項實驗中，他們聲稱探測到約 1.5 秒長的自發裂變，其來自於以下兩條反應：207Pb(51V,xn) 及 209Bi(48Ti,xn)。他們把該活動指向 255Db。進一步研究指出該活動應指向 256Db。因此，同位素 255Db 目前不出現在核種表上。要證實這個同位素的存在則需要更多的實驗。

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

* 元素𨧀在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 𨧀（英文）
* 元素𨧀在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素𨧀在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 𨧀（英文）