第102號元素

**鍩**（拼音：nuò，注音：ㄋㄨㄛˋ；英語：**Nobelium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **No**，原子序數為 102，是第十個超鈾元素及倒數第二個錒系元素，為一種具極高放射性的金屬元素，其壽命最長的同位素鍩 - 259 的半衰期僅 58 分鐘，而化學上最常使用的是可被較大規模製造的鍩 - 255（半衰期 3.1 分鐘）。如同所有原子序超過 100 的重元素（即超鐨元素，transfermium element），鍩無法通過中子捕獲生成，只能在粒子加速器中，由粒子撞擊較輕之元素生成。由於鍩無法大量生產且其所有同位素的半衰期都很短，目前在基礎科學研究之外沒有任何用途。

化學實驗確認了鍩在元素週期表中表現為鐿的較重同系物。鍩的化學性質並沒有被完全了解；大部分已知的化學性質是在水溶液中表現出的。有別於其他重錒系元素，氧化數為 + 2 的鍩在水溶液中遠較 + 3 態穩定，且氧化數為 + 3 的鍩不容易被保存，和鍩被發現之前科學家預測的結果相符。鍩也是所有鑭系及錒系元素中，唯一一個以 + 2 價為最常見、最穩定氧化態的元素。

鍩是以炸藥發明者及科學貢獻者瑞典人阿佛烈・諾貝爾命名。在西元 1950 年至 1960 年代間，許多來自瑞典、前蘇聯及美國的實驗室都宣稱發現了鍩。瑞典的科學家不久後撤回了他們的宣稱，而發現的順序以及元素的命名在前蘇聯以及美國的科學家之間起了爭論。直到 1997 年，國際純化學和應用化學聯合會 (IUPAC) 將元素的發現歸功於前蘇聯，但因鍩的名稱已被長期使用而保留了瑞典的命名。

## 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

102 號元素的發現是一個複雜的過程，而來自瑞典、美國與蘇聯的團體皆聲稱最早發現它。而關於 102 號元素的第一篇完整淺且精確的檢驗報告則在 1966 年來自杜布納聯合原子核研究所 (Joint Institute of Nuclear Research at Dubna)。

1957 年瑞典諾貝爾研究所的物理學家第一次宣布了 102 號元素的發現。研究小組報告說，他們每隔半小時用碳 - 13 撞擊一個鋦 - 96 原子，並持續了二十五小時。標靶在兩次撞擊間進行離子交換反應。50 次的撞擊中有 12 次包含了會發光並有發出 8.5±0.1 百萬電子伏特的 α 粒子的樣品。觀測到的半衰期為 10 分鐘，並且被認為是鍩 - 251 或是鍩 - 253 的。不過 α 粒子也可能來自於一個由 102 號元素電子補捉而產生、短壽命的鍆同位素。該團隊提出鍩 (No) 作為 102 號元素的名稱，並立即由 IUPAC 批准。杜布納團隊於 1968 年表示此舉是倉促的。隔年，勞倫斯柏克萊國家實驗室的科學家重複實驗但無法找到任何不能以背景效應解釋的 8.5 MeV 偵測結果。

1959 年，瑞典團隊試圖解釋柏克萊團隊在 1958 年為何無法發現 102 號元素，並堅持認為他們 (瑞典團隊) 確實發現了它。不過，後來的實驗顯示：任何比鍩 - 259（瑞典實驗中不可能產生比它重的同位素）輕的同位素，半衰期皆小於三分鐘，而瑞典團隊的結果很可能來自釷 - 225，釷 - 225 具有 8 分鐘的半衰期，並會迅速經歷三重 α 衰變產生衰變能為 8.53612MeV 的釙 - 213。由於釷 - 225 在所用反應中很容易產生，並且不會被其所用的化學方法分離出來，因此這個假設很有利。後來關於鍩的研究也表明，二價狀態比三價狀態更穩定，因此發射 α 粒子的樣品不能含有鍩，因為二價的鍩元素不會被其他三價錒系元素分離。因此，瑞典團隊後來撤回了他們的聲稱，並將成果與背景效應聯繫起來。

由艾伯特・吉奧索、格倫・西奧多・西博格、John R. Walton 和 Torbjørn Sikkeland 組成的伯克利團隊於 1958 年宣稱合成 102 元素。該團隊使用新的重離子直線加速器（HILAC）並用碳 - 13 和碳 - 12 撞擊鋦原子（95％鋦 - 244 和 5％鋦 - 246）。他們無法確認瑞典聲稱的 8.5 MeV 偵測結果，而鐨 - 250 應來自鍩 - 254（來自鋦 - 246），其半衰期約為 3 秒。1963 年後期杜布納的實驗證實在這個反應中可以產生 254 102，但實際上它的半衰期為 50±10 秒。1967 年，柏克萊隊試圖捍衛自己的結果，指出發現的同位素確實是鐨 - 250，但半衰期測量結果發現實際上同位素是鋦 - 244，鍩 - 252 的次產物，從更豐富的鉲 - 244 產生。他們並將能量差異歸因於「解析度和漂移問題」，儘管這些問題以前沒有被報告過，也應該會影響其他結果。1977 年的實驗也表明，252 102 確實具有 2.3 秒的半衰期。然而，1973 年的工作也表明，鐨 - 250（半衰期 1.8 s）也可能在反應中以所用能量形成。由此可知，很可能在該實驗中沒有實際產生鍩。

1959 年，該團隊繼續他們的研究並聲稱他們能夠產生一種同位素，該同位素主要通過發射 8.3 MeV 的 α 粒子而衰變，半衰期為 3 秒，伴隨著 30％的自發裂變分支。此結果在當實被認為由鍩 - 254 產生，不過後來改為鍩 - 253。但是，他們也指出，由於條件困難，不能確定是否有製造出鍩。而伯克利團隊決定採用瑞典團隊提出的「nobelium」作為元素的名稱，作為對他們的尊重。

　
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同時，在杜布納，合成 102 號元素的實驗在於 1958 年以及 1960 年進行。1958 年進行的第一次實驗用氧 - 16 撞擊鈽 - 239 和鈽 - 241，觀察到一些能量稍微超過 8.5 MeV 的 α 衰變，並且它們被認為是 251,252,253 102 造成的結果，儘管該團隊也說該同位素不能排除是由鉛或鉍雜質所產生的（不會產生鍩）。雖然後來於 1958 年進行的實驗指出，新的同位素可以由汞、鉛、鉍、鉈產生，不過科學家們仍然堅持認為，102 號元素可以從這種反應中產生，提到半衰期不到 30 秒，衰變能量為（8.8±0.5）MeV。後來 1960 年的實驗證明這些是背景效應，1967 年的實驗也將衰變能量降低到（8.6±0.4）MeV，但兩個值都太高而不能對應到鍩 - 253 或鍩 - 254 的 (8.5±0.1) MeV。杜布納團隊後來在 1970 年和 1987 年再次說明這些結果是沒有定論的。

伯克利團隊於 1961 年宣稱在鉲、硼與碳離子的反應中發現了 103 號元素。他們宣稱製造出了同位素鍩 - 257，同時也聲稱合成了 102 號元素的 α 衰變同位素，而該同位素擁有 15 秒的半衰期以及 8.2 MeV 的 α 衰變能量。它們認為此粒子為鍩 - 255，而沒有給出理由。這些數值並不符合現在已知鍩 - 255 的數值，但符合鍩 - 257，而雖然這個同位素也許有出現在這個實驗中，但當時並沒有明確的確認它的產生。

杜布納於 1964 年的實驗中，將鈾 - 238 靶與氖離子的反應合成出 102 號元素，並檢測元素 102 同位素的 α 衰變子體。生成物沿著銀製捕捉箔運送並以化學方式純化，而檢測到鐨 - 250 以及鐨 - 252。由於鐨 - 252 的產生，其母體鍩 - 256 也被認為有被合成出來。而鐨 - 252 也可在這個反應中，由同時發射具有多餘中子的 α 粒子的反應中直接被製造出來，因此科學家採取了步驟，確保鐨 - 252 不能直接進入銀製捕捉箔中。那時檢測到鍩 - 256 的半衰期為 8 秒，遠小於更近代、1967 年所測的 (3.2 ± 0.2) 秒。進一步的實驗於 1966 年進行，利用鋂 - 243 (氮 - 15,4n) 鍩 - 254 與鈾 - 238 (氖 - 22,6n) 鍩 - 254 的反應，測得鍩 - 254 的半衰期為 (50±10) 秒。在當時，這個數值與更早的柏克利數據之間的差異並沒有被了解，然而後來的實驗證明了在杜布納實驗中，異構體 250mFm 的生成機率小於柏克利實驗。事後，杜布納的實驗結果應是正確的，而可視為發現元素 102 的結論性實驗。

杜布納另一個非常具有信服力的實驗於 1966 年發表，同樣利用了兩個反應，結論為：鍩 - 254 的半衰期確實遠超過柏克利實驗的 3 秒。柏克利於 1967 年以及橡樹嶺國家實驗室於 1971 年進行的晚期實驗完整的確認了 102 號元素的存在，也確認了早期的觀測。柏克利團隊於 1966 年 12 月重複了杜布納的實驗，完整確認了這些實驗，並且利用這些數據分配了他們之前就已經合成、但當時無法識別的同位素，並聲稱於 1958 年至 1961 年間發現了鍩。

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1969 年，杜布納團隊進行化學實驗，確認了鍩表現為鐿的較重同系物。俄羅斯的科學家將此元素命名為 joliotium (符號為 Jo)，以紀念過世不久的科學家伊雷娜・約里奧・居禮 (Irène Joliot-Curie)。這造成了持續幾十年的元素命名爭議，而不同的團隊各自使用自己命的名稱。

於 1992 年，IUPAC 以及國際純粹與應用物理學聯合會 (IUPAP) 的超鐨工作小組 (Transfermium Working Group,TWG) 重新審查了有關發現該元素的聲稱，並總結了只有杜布納於 1966 進行的實驗正確的檢測並指出衰變後原子序為 102 的原子核。因此，杜布納團隊正式的被視為鍩的發現者，儘管鍩可能於 1959 年就被柏克利的團隊偵測到。柏克利於次年批評了這項決定，並指出重新審理 101~103 號元素「無用而浪費時間」。另一方面，杜布納認同了 IUPAC 的決定。

1994 年，IUPAC 批准了一個嘗試解決元素命名爭議的方案，公佈了 102 號至 109 號元素的英文名稱。其中 102 號元素被命名為 Nobelium（符號 No），因為這個名稱在三十年間已被廣泛使用，而也應以這個方式紀念阿佛烈．諾貝爾。由於 1994 年的命名大多不尊重發現者，引來了強烈的抗議，IUPAC 於是在事後設置了一段評論期。而在 1995 年，IUPAC 在一個新的計畫中將元素 102 命名為 flerovium (符號 Fl)，以紀念前蘇聯核物理學家格奧爾基．佛雷洛夫 (Гео́ргий Флёров) 以及和他名稱相同的佛雷洛夫原子反應實驗室。這個計畫未被接受，現在 flerovium 成了第 114 號元素的英文名稱。

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 正式對 101 至 109 號元素重新英文定名，其中恢復了 102 號元素「Nobelium」的名稱，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 101 號至 103 號元素仍使用原有的中文定名「鍆」（音同「門」）、「鍩」（音同「諾」）、「鐒」（音同「勞」）。

## 性質

### 物理性質

鍩於週期表當中的左右方分別為錒系的鍆與鐒，而上方為鑭系的鐿。目前還沒有辦法大量製備鍩金屬。然而，科學家已對關於鍩的性質做出許多預測以及一些初步的實驗結果。

鑭系元素與錒系元素於金屬態下，可以二價（如銪及鐿）或三價（如其他大多數鑭系元素）存在。前者的排列方式為 f_n_+1s2，而後者為 f_n_d1s2。在 1975 年，約翰森 (Johansson) 以及羅森格倫 (Rosengren) 檢測了鑭系以及錒系金屬元素（皆為二價和三價金屬）的凝聚力 (結晶熱) 的測量及預測值。結論為：由 [Rn] 5f147s2 組態到 [Rn] 5f136d17s2 組態所增加的結合能不足以補償將一個電子由 5f 升至 6d，而這也適用於排序較後段的錒系元素；因此鑀、鐨、鍆以及鍩皆被預測為二價金屬，然而鍩尚未被確認為如此。二價態在錒系還沒有結束前逐漸增加的普遍性，與隨著原子序增加而上升的 5f 電子相對穩定程度有關：這造成的效應之一為鍩主要化合價是二價而不是三價，這和其它鑭系與錒系元素不同。在 1986 年，鍩金屬的昇華熱被估計為 126 千焦耳 / 摩爾，這個數值與鑀、鐨和鍆的數值相近，而這支持了鍩會形成二價金屬的理論。如同其它後段的錒系元素（三價的鐒除外），金屬鍩應呈現為面心立方體結構。二價金屬鍩的原子半徑應大約為 197 皮米。鍩的熔點預測為 827°C，與相鄰的鍆之預測數值相同。它的密度預計為 9.9±0.4g/cm2。

### 化學性質

科學家對鍩化學性質的瞭解只有其在水溶液中的特性。鍩於水溶液中的氧化數可為 + 3 或 + 2，其中後者較穩定。在鍩被發現之前，科學家們預測鍩在溶液中會如同其他大部分錒系金屬一樣以 + 3 價為較穩定的氧化態。但在 1949 年時，西博格預測 + 2 價應為鍩的另一穩定態，理由為 No2+ 的電子組態為 [Rn] 5f14，而其 5f14 殼層十分穩定。這項預測在十九年後才被證實。

比較鍩和鋱、鉲、鐨的化學性質的實驗於 1967 年進行。實驗中將這四種元素和氯反應並將產物留下，結果發現鍩的氯化物會強力的吸附在固體表面上，這顯示了它的揮發性不高，如同實驗中另外三種元素的氯化物。然而，NoCl2 以及 NoCl3 皆被預測為不易揮發的化合物，因此此實驗無法得知鍩較常見的氧化態為何。鍩在 + 2 價下的穩定度要到了隔年的實驗才被確認，在該實驗中，使用了離子交換層析法和共沉澱法對約五千個 255No 原子進行實驗。結果發現，鍩的行為與二價的鹼土金屬較為相似，而與其他錒系元素表現不同。這證明了在水溶液中，當沒有強氧化劑時，二價態為鍩最穩定的狀態。後來於 1974 年的實驗中顯示鍩與鈣離子至鍶離子間的鹼土金屬溶析。鍩是內過渡元素中唯一一個在水溶液中，+2 價為最常見、最穩定氧化態的元素，而這是因為錒系末段 5f 與 6d 軌域間較大的能量差。

_E_°(No3++→No2+) 的標準還原電位在 1967 年被估計介於 + 1.4 到 +1.5 V 之間，後來在 2009 年的實驗發現只有 + 0.75 V。此大於 0 的值顯示 No2+ 較 No3+ 穩定且 No3+ 為一好的氧化劑。_E_°(No2+→No0) 和 _E_°(No3+→No0) 被廣泛接受的還原電位值分別為−2.61 和−1.26 V。_E_°(No4+→No3+) 則被估計為 + 6.5 V。No3+ 和 No2+ 生成的吉布斯自由能估計為−342 以及−480 千焦 / 莫耳。

### 原子性質

鍩原子有 102 顆電子，其中有 3 顆為價電子。 它們的排列方式預測為 [Rn] 5f147s2(基態能項符號為 1S0)，不過到 2006 年為止，此組態並沒有被實驗確認。在形成化合物時，三個價電子可以全部失去，留下一個 [Rn] 5f13 的內層，這符合了其他錒系元素在 3 + 態時的 [Rn] 5fn 組態。然而，其更有可能指失去兩顆價電子，留下穩定、擁有全填滿 5f14 層的 [Rn] 5f14 內層。鍩的第一游離能在 1974 年時根據 7s 電子會比 5s 電子先解離的推測，測為 (6.65 ± 0.07) 電子伏特，而由於鍩的高度放射性和稀少性，此數值並沒有再度被驗證。1978 年時初步估計配位數為 6 和 8 的 No3+ 離子半徑分別約為 90 和 102 皮米；由實驗得知 No2+ 離子半徑為 100 皮米 (到兩位有效數字)。計算得出 No2+ 的水合熱為 1486kJ/mol。

### 同位素

鍩的已知同位素共有十二個，質量數分別為 250-260 和 262，三個同核異構體質量數則分別為 251、253、254。所有鍩同位素都具有極高的放射性，半衰期很短，非常不穩定。其中壽命最長的同位素和同核異構體分別為 259No（58 分鐘）和 251mNo（1.7 秒）。半衰期為 3.1 分鐘的 255No 因為可透過鉲和碳反應製得而較常用於化學實驗。除了 259No 和 255No，其餘半衰期超過一秒的鍩同位素有 253No、254No、257No、256No 和 252No。半衰期最短的同位素則為 250No，約 0.25 毫秒。

## 製備與純化

鍩的同位素大多以轟擊錒系元素標靶（鈾、鈽、鋦、鉲或鑀）產生，唯鍩 - 262 僅能作為鐒 - 262 的衰變產物生成。實驗中最常使用的鍩 - 255 可利用碳 - 12 轟擊鋦 - 248 或鉲 - 249 產出（通常使用後者）。以每秒 3 兆個 73 百萬電子伏特的碳 - 12 離子照射 350μg cm−2 的鉲 - 249 標靶於十分鐘內可產出大約 1200 個鍩 - 255 原子。

一旦成功做出了鍩 - 255，便可使用類似於用於分離鄰近錒系元素的方式將其分離出來。鍩 - 255 的反沖的動量會使它們遠離標靶，並將它們帶到標靶後面的金屬箔（通常為鈹、鋁、鉑或金），這時通常會同時使用氣體（通常是氦氣）來固定鍩 - 255，並將它們以氣流從反應室的小開口中帶離。使用長毛細管，並在氦氣中加入氯化鉀，鍩原子可以被輸送幾十公尺遠。收集在金屬箔上的鍩可以用稀空氣酸除去而不至於使金屬箔完全溶解，然後可以利用其趨向二價態的性質（與其他三價為主的重錒系元素不同）來分離它們：在通常被使用的分離條件下（HDEHP 作為固定有機相，0.05M 鹽酸作為流動相，或使用 3M 鹽酸作為陽離子交換的洗脫液樹脂柱），鍩將通過色譜柱並分離，而其他三價錒系元素將留在色譜柱上。然而，如果使用金箔，因為以色譜層析柱分離出鍩前須使用陰離子交換色譜法分離出金，所以該過程將會變得複雜。

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

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