第113號元素

**鉨**（拼音：nǐ，注音：ㄋ丨ˇ，音同「你」；英語：**Nihonium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Nh**，原子序數為 113。鉨是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其最長壽的已知同位素是鉨 - 286，半衰期約 10 秒。在元素週期表中，鉨位於 p 區，是第 7 週期、第 13 族（硼族）的成員。

2003 年，由俄羅斯與美國聯合組成的研究團隊在俄羅斯杜布納聯合原子核研究所（Joint Institute for Nuclear Research, JINR）首次探測到 113 號元素；2004 年日本埼玉縣和光市的理化學研究所（理研）科學家團隊也有同樣發現。隨後幾年包含美國、德國、瑞典和中國工作的獨立科學家團隊，以及俄羅斯和日本的團隊都認為他們是最初的發現者。2015 年，IUPAC / IUPAP 聯合工作組確認了該元素，並將該元素的發現和命名權分配給理研，因為他們判斷理研已經證明其比 JINR 團隊更早觀察到 113 元素。理研團隊在 2016 年提出了 nihonium 的名稱，並於同年獲得批准，而這個名字源自「日本」的日語讀音（nihon）。

目前科學家對鉨元素所知甚少，因為它產量稀少，至今只合成出 14 個鉨原子，且在合成出的幾秒鐘內就會衰變成其他同位素，目前已知壽命最長的鉨同位素半衰期為 9.5 秒。雖然鉨同位素壽命短暫，但仍比預計的要長得多。包括鉨在內的一些超重核種的壽命異常地長，原因可由穩定島理論解釋：隨著中子數的增加，越重的鉨同位素越接近理論上的「穩定島」，半衰期也從幾毫秒漸增到幾秒。

根據計算，鉨應該具有與其同族元素硼、鋁、鎵、銦和鉈相似的性質。除硼之外的所有 13 族元素都是後過渡金屬（貧金屬），而科學家預期鉨也是後過渡金屬。但計算也顯示出鉨和其同族元素有幾個主要差異；例如鉨在 + 1 氧化態下應比 + 3 態更穩定，就像鉈一樣，但在 + 1 態，鉨應該表現得更像銀和砈，而不是鉈。2017 年的初步實驗表明，鉨元素的揮發性並不大，其大部分化學性質目前尚未明瞭。

## 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

2003 年 8 月，科學家在鏌的衰變產物中首次探測到鉨。2004 年 2 月 1 日，一個由俄羅斯杜布納聯合核研究所和美國勞倫斯利福莫耳國家實驗室聯合組成的研究小組發表了這一項發現。

　
: $\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} +\,_{95}^{243}\mathrm {Am} \to \,^{288,287}\mathrm {Mc} \to \,^{284,283}\mathrm {Nh} \ $

2004 年 7 月 23 日，日本理化學研究所（理研；RIKEN）的森田浩介使用 209Bi 和 70Zn 之間的冷融合反應，探測到了一個 278Nh 原子。他們在 2004 年 9 月 28 日發表這項發現。

　
: $\,_{30}^{70}\mathrm {Zn} +\,_{83}^{209}\mathrm {Bi} \to \,_{113}^{279}\mathrm {Nh} ^{*}\to \,_{113}^{278}\mathrm {Nh} +\,_{0}^{1}\mathrm {n} $

實驗結果在 2004 年得到證實，中國近代物理研究所探測到的 266Bh 衰變特性和日本理研所探測到的衰變活動特性相同（詳見𨨏）。

理研小組在 2005 年 4 月 2 日又合成了一個鉨原子，衰變數據與第一次的不同，但這可能是因為產生了穩定的同核異構物。

美俄合作小組對衰變產物 268Db 進行化學實驗，進一步證實了鉨的發現。鉨的 α 衰變鏈半衰期與實驗數據相符。

由於日本科學家未充分觀察該元素轉化為其他元素的情形，因此這一發現因證據不足而未被承認。日本理研於 2012 年 9 月 26 日第三次宣布合成出了 113 號元素，方法是利用加速器使鋅和鉍原子相互碰撞。

2015 年 12 月，IUPAC 和 IUPAP 宣布承認 113 號元素，並賦予日本理研優先命名權。

### 命名

_Ununtrium_（Uut）是 IUPAC 所賦予的臨時系統命名。研究科學家通常只稱之為「元素 113」（或 E113）。

#### 命名提議

杜布納小組的 Dmitriev 和理研小組的森田浩介分別對命名 Uut 進行了提議。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）及國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）的聯合工作小組將決定哪一方有權進行命名。2011 年，IUPAC 審核了兩方曾進行的實驗，認為實驗並未符合「發現元素」的標準。

2015 年 12 月 31 日，理研取得本元素的命名權，並被 IUPAC 認為 Uut 符合「發現元素」標準，這也是首次由亞洲國家取得新元素命名權。本元素原本被預計命名為 Japonium，符號 Jp，跟日本的縮寫一樣，但此命名未被使用，這是因為這個名稱會涉及 Jap，一個貶低日本人的詞語，所以日本人拒絕使用此名稱。

以下為曾經提議使用的名稱：

2016 年 6 月 8 日，IUPAC 宣佈計劃根據理化學研究所的建議將 113 號元素命名為「Nihonium」，符號為 Nh。此名稱於 2016 年 11 月 28 日正式獲得認可。

此外，日本化學家小川正孝曾於 1908 年宣佈發現了第 43 號元素，並將其命名為「Nipponium」（Np），以紀念其本國日本（Nippon）。然而，後來的分析則指出，他所發現的是和 43 號元素同族的 75 號元素（即錸），而 43 號元素鎝則在 1936 年被人工合成出。

#### 中文名稱

此元素剛開始被譯為**鈤**，因為此元素的命名來源自日本的國家名稱，但是因為此名稱違反以西方讀音作為元素中文名稱的習慣，因此並沒有被採用，而由於鈮這名稱已經給了 41 號元素，所以有人提議以第二個音節來命名，命名為**鋐**（類似鈧元素的情況），但是由於中文名稱大多數都使用第一個音節，所以這個提議也沒有被採用。2017 年 1 月 15 日，中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會聯合國家語言文字工作委員會組織化學、物理學、語言學界專家召開了 113 號、115 號、117 號、118 號元素中文定名會，通過了將此元素命名為「鉨」（讀音同「你」）的方案。

2017 年 4 月 5 日，中華民國國家教育研究院的化學名詞審譯委員會審譯修正通過之「化學元素一覽表」將此元素命名為「鉨」，音同「你」。

「鉨」字已收錄在統一碼漢字基本區中，碼位為 U+9268。該字有「絡絲」、「絡絲之具」兩意，並兼為繁體字「鑷（ㄋㄧㄝˋ）」、「璽（ㄒㄧˇ）」的異體字。其對應簡化字「鿭」，已於 2018 年 6 月 5 日正式加入統一碼 11.0 中，碼位為 U+9FED。

## 同位素與核特性

目前已知的鉨同位素共有 6 個，質量數分別為 278 和 282-286，全部都具有極高的放射性，半衰期極短，非常不穩定，且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定，因為它們更接近穩定島的中心，其中最長壽的同位素為鉨 - 286，半衰期約 8 秒，也是目前發現最重的鉨同位素。其他半衰期超過一秒的同位素有鉨 - 285 和未經證實的鉨 - 287 及鉨 - 290。目前發現的鉨同位素都會發生 α 衰變形成錀的同位素，但有跡象表明鉨 - 284 也能通過電子捕獲衰變成鎶 - 284。

### 核合成

#### 能產生 Z=113 覆核的目標、發射體組合

下表列出各種可用以產生 113 號元素的目標、發射體組合。

#### 冷聚變

##### 209Bi(70Zn,xn)279-xNh (x=1)

德國重離子研究所小組在 1998 年首次嘗試合成鉨，使用了以上的冷聚變反應。在兩次實驗中，他們均沒有發現任何原子，計算出的截面為 900 fb。他們在 2003 年重複進行實驗，並將截面下降至 400 fb。2003 年末，日本理研小組利用充氣反沖核分離器進行了以上反應，截面達到 140 fb。2003 年 12 月至 2004 年 8 月，他們進行了長度為 8 個月的離子輻射，並把敏感度提高到 51 fb。這時他們探測到一個 278Nh 原子。在 2005 年，他們幾次重複實驗，並再發現一個原子。經過計算，兩個原子的截面為有記錄以來最低的 31 fb。2006 年重複的實驗並未發現更多的原子，因此目前的產量值只有 23 fb。

#### 熱聚變

##### 237Np(48Ca,xn)285-xNh (x=3)

2006 年 6 月，美俄合作小組通過 237Np 和 48Ca 間的熱聚變反應直接合成了鉨。實驗發現了兩個 282Nh 原子，截面為 900 fb。

#### 作為衰變產物

科學家也曾在鏌和鿬的衰變產物中探測到鉨。

#### 同位素發現時序

### 同位素產量

下表列出直接合成鉨的核融合反應的截面和激發能量。粗體數據代表從激發函數算出的最大值。+ 代表觀測到的出口通道。

#### 冷聚變

#### 熱聚變

### 理論計算

#### 蒸發殘留物截面

下表列出各種目標 - 發射體組合，並給出最高的預計產量。

DNS = 雙核系統； σ = 截面

## 化學屬性

### 推算的化學屬性

#### 氧化態

鉨預計將為 7p 系第 1 個元素，並是元素週期表中 13 (IIIA) 族最重的成員，位於鉈之下。這一族的氧化態為 + III，但由於相對論，7s 軌域的穩定性會造成惰性電子對效應，因此它只形成穩定的 + I 態，Nh+/Nh 的標準電極電勢更高，預測達到 0.6 V，就如惰性的金屬，難以形成穩定的化學鍵，與銠和釕一樣不易發生反應。

#### 化學特性

鉨的化學特性能從鉈的特性中推算出來。因此，它應該會形成 Nh2O、NhF、NhCl、NhBr 和 NhI。但如果能達到 + III 態，鉨則應只能形成 Nh2O3 和 NhF3。7p 軌域的自旋 - 軌道分離可能會使−1 態也較穩定，類似於 Au (−1)（金化物）。

## 參見

* 鉨的同位素
* 穩定島

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

* 元素鉨在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鉨（英文）
* 元素鉨在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鉨在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鉨（英文）
* Uut and Uup Add Their Atomic Mass to Periodic Table （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Apsidium: Ununtrium 113 Uut
* Discovery of Elements 113 and 115
* Superheavy elements （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 3 個目の 113 番元素の合成を新たな崩壊経路で確認，理化學研究所 2012 年 9 月 25 日／相關中文新聞：日研究人員稱第三次合成 113 號元素，新華社 2012 年 9 月 27 日