第118號元素

**鿫**（；拼音：ào，注音：ㄠˋ，音同「奧、澳」；英語：Oganesson），是一種人工合成的化學元素，化學符號為 **Og**，原子序數為 118，是當前所有已發現的元素中原子序數最大的元素。鿫是一種放射性極強、極為不穩定的超重元素，所有同位素的半衰期都極短，其當前唯一的已知同位素為 294Og，半衰期僅 0.69 毫秒。鿫不存在於自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器人工合成。自 2005 年起，科學家只成功合成出五個（亦可能為六個）鿫-294 原子。

2002 年，一個俄美合作的科學家團隊在位於俄羅斯杜布納的聯合核研究所首次合成出鿫。國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）及國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）所組成的聯合工作小組在 2015 年 12 月確認此項發現。為肯定俄羅斯核物理學家尤里・奧加涅相在超重元素合成工作上的重大貢獻，IUPAC 於 2016 年 11 月 28 日正式將此元素命名為「Oganesson」。鿫和𨭎是唯二用當時仍在世的人命名的元素，鿫也是唯一一個名稱所紀念者今日仍健在的元素。

在元素週期表中，鿫位於 p 區，是第 7 週期的最後一個元素，屬於第 18 族。由於合成鿫的難度極高且成本高昂，產出的鿫同位素又不夠穩定，會立刻發生衰變，因此科學家很難通過實驗來判斷其性質以及可能存在的化合物。不過，科學家仍然能夠通過理論計算做出不少的預測，其中包括一些出人意料的性質。例如，第 18 族中的其他元素均為反應性低的惰性氣體，但同屬 18 族的鿫卻可能有非常高的反應性。科學家曾經認為鿫在標準狀況下是一種氣體，但因相對論效應，鿫在標準狀況下應該是一種固體。

## 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

### 早期推測

在氦、氖、氬、氪、氙和氡之後的第七種惰性氣體存在的猜測在惰性氣體族被發現時不久就產生了。丹麥化學家 Hans Peter Jørgen Julius Thomsen 在 1895 年 4 月，氬發現後的第二年表示有一系列和氬類似的惰性氣體會連接鹵素和鹼金屬，而他預測和釷、鈾同一週期的那個惰性氣體（也就是今天的鿫）的原子量為 292, 接近於 294 ，第一種且是唯一一種確認了的鿫同位素。 最早猜測 118 號元素有可能存在的，是丹麥物理學家尼爾斯・玻爾。他在 1922 年寫道，這一元素在元素週期表上應位於氡以下，成為第七種惰性氣體。阿里斯蒂德・馮・格羅塞在 1965 年發表的論文中預測了 118 號元素的性質。人工合成元素的方法在 1922 年還未被研發出來，同樣，在 1965 年還沒有出現穩定島這一理論概念，因此這兩項是具有先見之明的理論預測。從玻爾預測至鿫終於被成功合成，經過了八十年。不過，鿫的化學性質是否遵循同族元素的規律，仍有待揭曉。

### 未經證實的發現

1998 年末，波蘭物理學家羅伯特・斯莫蘭楚克發表聚合原子核來合成超重原子的所需計算，其中也包括鿫。他的計算顯示，在嚴格控制的環境下聚合鉛和氪，就能製成鿫，反應的發生機率（截面）和此前合成𨭎所用的鉛鉻聚合反應相當。然而，也有理論預測顯示，隨著所產生元素的原子序的提高，利用鉛或鉍的聚變反應截面會指數下降，這和斯莫蘭楚克的計算相悖。

1999 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用這些計算，宣佈製成鉝和鿫，並將發現發表於《物理評論快報》。不久後，此項發現又登上《科學》。研究團隊宣稱成功進行以下核反應：

　
: 86 
36Kr 
  + 208 
82Pb 
  → 293 
118Og 
  + 
n 

.

翌年，由於其他的實驗室及勞倫斯伯克利國家實驗室本身都未能重複這些結果，研究團隊因此撤回這項發現。2002 年 6 月，實驗室主任宣佈原先兩個元素的發現結果，是建立在第一作者維克托･尼諾夫所假造的數據上的。

新的實驗結果和理論計算都證實，隨著所產生核種的原子序的提高，以鉛或鉍為目標體的聚變反應截面的確會指數下降。

### 發現

2002 年，一個由美國和俄羅斯科學家所組成的團隊在位於俄羅斯杜布納的聯合核研究所首次真正探測到鿫原子的衰變。團隊由亞美尼亞裔俄籍核物理學家尤里・奧加涅相領導，成員包括來自美國加州勞倫斯利福莫耳國家實驗室的科學家。團隊並沒有即時公佈此項發現，因為 294Og 的衰變能量與 212mPo 吻合，而後者是超重元素合成過程中聚變反應的常見雜質。要直到 2005 年再一次實驗證實之後，團隊才正式宣佈發現新元素。研究人員在 2006 年 10 月 9 日宣佈間接地探測到一共三個（可能為四個）鿫-294 原子核：包括 2002 年探測到的一個（或兩個），以及 2005 年探測到的另外兩個。合成反應為：

　
: 249 
98Cf 
  + 48 
20Ca 
  → 294 
118Og 
  + 3 
n 

.

2011 年，國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）在評估過杜布納和利福莫耳合作團隊 2006 年的研究結果後宣佈：「觀測到的三次 _Z_ = 118 同位素衰變事件有比較好的內部冗餘，但這些事件都沒有以已知原子核作為基礎，所以不滿足正式發現的條件。」

由於核融合反應的發生概率很低（聚變截面為~0.3–0.6 pb，即 (3–6)×10−41 m2），所以實驗一共花時四個月，在向鉲目標體發射一共 2.5×1019 個鈣離子之後，才首次探測到與鿫成功合成相符的事件。該事件隨機發生的可能性估計小於 100,000 分之 1，所以研究人員很有把握這並不是誤測。

實驗共觀測到三個鿫-294 原子經 α 衰變成為鉝 - 290，也有可能觀測到一個鿫原子發生自發裂變。由於只觀測到三個原子的衰變，因此計算出來的半衰期有著很大的不確定性：0.89+1.07 
−0.31 ms。α 衰變的反應式為：

　
: 294 
118Og 
  → 290 
116Lv 
  + 4 
2He

為了確定產生的是 294 
Og，科學家再用 48 
Ca 離子束撞擊 245 
Cm 目標體，製成 290 
Lv 原子核：

　
: 245 
96Cm 
  + 48 
20Ca 
  → 290 
116Lv 
  + 3 
n

然後比較 290 
Lv 和 294 
Og 的衰變鏈是否吻合。290 
Lv 原子核極不穩定，14 毫秒後便衰變成 286 
Fl，再經自發裂變或 α 衰變成為 282 
Cn，最後發生自發裂變。

根據量子穿隧模型所做的預測，294 
Og 的 α 衰變半衰期為 0.66+0.23 
−0.18 ms，實驗 Q 值於 2004 年發表。理論 Q 值比實驗 Q 值稍低。

### 證實

2011 年，位於德國達姆施塔特的亥姆霍茲重離子研究中心在利用 248 
Cm+54 
Cr 反應試圖合成 120 號元素 Ubn 時，可能觀測到一個 295 
Og 原子。然而實驗數據的不確定性較大，因此無法確切判斷所觀測到的是 299120 和 295 
Og 的衰變鏈。數據顯示，295 
Og 的半衰期為 181 毫秒，比 294 
Og 的 0.7 毫秒長得多。

2015 年 12 月，國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）及國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）所組成的聯合工作小組承認 118 號元素的確實發現，並肯定發現者為杜布納和利福莫耳合作團隊。此次能夠承認發現的原因包括，294 
Og 和 286 
Fl 衰變產物的性質在 2009 年和 2010 年得到勞倫斯伯克利國家實驗室證實，杜布納團隊又於 2012 年再次觀測到 294 
Og 的衰變鏈，且衰變參數與先前所測量的相符。聯合核研究所的那項研究原本是為了通過 249Bk(48Ca,3n) 反應合成 294 
Ts，但因為 249 
Bk 的半衰期非常短，目標體有一大部分已衰變為 249 
Cf，合成反應因此產生出鿫，而非鿬。

為了合成 295 
Og 和 296 
Og 這兩個更重的同位素，杜布納團隊又在 2015 年至 2016 年進行類似的實驗，以 48 
Ca 作為發射體，並以 249 
Cf、250 
Cf 和 251 
Cf 同位素的混合物為目標體。實驗共利用兩個離子束能量：252 MeV 和 258 MeV。用較低能量束時，只探測到一個原子，其衰變鏈和先前已知的 294 
Og 相符（即最終衰變至 286 
Fl，然後自發裂變）；用較高能量束時，並未觀測到任何原子。

### 命名

德米特里・門得列夫為有待命名或尚未發現的元素發明一套命名法，根據這套命名法，鿫應稱為「eka - 氡」（1960 年代之前則稱為「eka-emanation」，emanation 是氡的舊稱）。1979 年，IUPAC 訂下一套元素系統命名法，118 號元素應稱為「ununoctium」，化學符號為「Uuo」。IUPAC 建議在元素經證實發現之前，應該以此名稱代替。儘管各級化學教科書都廣泛使用著 IUPAC 的命名，但行內的科學家卻一般稱之為「118 號元素」，化學符號為「E118」、「(118)」或「118」。

在 2001 年研究結果被撤回之前，勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員曾建議，以團隊的領導成員阿伯特・吉奧索命名新元素為「ghiorsium」（符號 Gh）。

俄羅斯科學家最早在 2006 年宣佈合成 118 號元素。根據 IUPAC 建議，新元素的命名權屬於其最早發現者。聯合核研究所主任曾經在 2007 年表示，研究團隊正考慮兩個名字：以杜布納的研究實驗室創立人格奧爾基・弗廖羅夫命名為「flyorium」（現成為 114 號元素鈇的名稱，flerovium），及以研究所所在地莫斯科州命名為「moskovium」（現成為 115 元素鏌的名稱，moscovium）。他也認為，雖然此項發現是俄美團隊合作的成果（目標體元素鉲是由美國團隊提供），但 118 號元素名正言順地應以俄羅斯的人物或地點命名，因為聯合核研究所的弗廖羅夫核反應實驗室是世界上唯一一座能取得這種成果的設施。

除氦（helium）以外，惰性氣體的名稱均以「-on」結尾：氖（neon）、氬（argon）、氪（krypton）、氙（xenon）和氡（radon）。在鿫發現當時，IUPAC 規定所有新元素名稱都必須以「-ium」結尾，一般以「-ine」結尾的鹵素和一般以「-on」結尾的惰性氣體元素也不例外。做臨時代替之用的系統命名「ununoctium」就符合這項規定。不過，IUPAC 在 2016 年又公佈了新的命名建議：新的 18 族元素，無論性質是否屬於惰性氣體，其名稱都要以「-on」結尾。

2016 年 6 月，IUPAC 宣佈 118 號元素的發現者考慮把它命名為「oganesson」（符號 Og），以肯定亞美尼亞裔俄籍核物理學家尤里・奧加涅相在超重元素研究上的重大貢獻。奧加涅相投身核物理研究六十年，106 號到 118 號元素就是直接利用他和他的團隊所研發的方法來合成的。2016 年 11 月 28 日，「oganesson」成為 118 號元素的正式名稱。奧加涅相事後對新元素以他命名表達以下的感想：

鏌、鿬和鿫的命名典禮在 2017 年 3 月 2 日莫斯科俄羅斯科學院舉行。

### 中文命名

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 113 號、115 號、117 號、118 號元素中文定名會，將此元素命名為「鿫」（讀音同「奧」）。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「鿫」，音同「澳」。2018 年 6 月 5 日，「鿫」字被正式加入統一碼 11.0 版本中，碼位為 U+9FEB。

## 性質

### 原子核穩定性與同位素

從 96 號元素鋦開始，原子序越高，原子核的穩定性越低。鋦以後所有元素的半衰期都比鋦短四個數量級。原子序超過 101（鍆）的所有同位素都會發生放射性衰變，半衰期都在 30 個小時以下。原子序超過 82（鉛）的元素均沒有穩定的同位素。這是因為原子核中，質子和質子之間的庫侖相斥力隨著質子數量的上升而加強，以致強核力無法再避免原子核發生自發裂變。計算顯示，假如不考慮其他增加穩定性的因素，質子數超過 104（鑪）的所有元素都不可能存在。然而，科學家在 1960 年代提出，當質子數和中子數分別在 114 和 184 附近時，核殼層處於滿充、閉合狀態，原子核的穩定性應獲得增強。這就是所謂的「穩定島」，島上核種的半衰期理論上可以達到數千年甚至數百萬年。人工合成實驗固然還沒有達到穩定島範圍內的同位素，但單從包含鿫在內的超重元素存在的事實，就足以證明增強穩定性的效應是存在的。整體趨勢是，已知超重核種的壽命的確隨著靠近穩定島區域而指數上升。具有放射性，半衰期不到一毫秒，但這個數值已經比一些預測值高。這幾點都是穩定島存在的間接證據。

根據量子穿隧模型計算，預計存在若干個富含中子，半衰期接近 1 ms 的鿫同位素。

理論計算顯示，鿫的一些同位素可能比已知的 294 
Og 更為穩定，這包括 293 
Og、295 
Og、296 
Og、297 
Og、298 
Og、300 
Og 和 302 
Og。其中 297 
Og 能產生長壽原子核的可能性最高，從而很可能成為未來鿫合成研究的目標方向。313 
Og 附近一些中子數高得多的同位素也有可能有較長的壽命。這些更重、更穩定的同位素對研究鿫的化學性質有很大的幫助，所以位於杜布納的科學團隊計劃在 2017 年下半年進行一系列實驗，以 249 
Cf、250 
Cf 和 251 
Cf 的混合物作為目標體，並以 48 
Ca 為發射體，目標是合成 295 
Og 和 296 
Og 這兩個新的同位素。聯合核研究所計劃在 2020 年重複此項實驗，產生 297 
Og。同一條反應也有可能會生成 293 
Og 及其子同位素 289 
Lv。聯合核研究所和日本理化學研究所計劃在 2017 年至 2018 年利用 248 
Cm 和 50 
Ti 的聚變反應來合成 295 
Og 和 296 
Og。

### 計算出的原子和物理性質

鿫屬於 18 族元素，不含價電子。同族的其他元素統稱惰性氣體，對大部分常見的化學反應（如燃燒反應等）呈惰性。這是因為這些元素的最外電子殼層由八個電子充滿，參與化學反應的價電子被緊緊束縛住，使原子處於十分穩定的最低能量組態。同樣，鿫的最外電子殼層相信也是閉合的，價電子組態為 7s27p6。

有科學家推測，鿫的物理和化學性質和同族其他元素相近，特別是和週期表上位於它以上的氡類似。單從元素週期規律推斷，鿫的反應性會比氡稍高。然而，理論計算卻指出，鿫的反應性會比氡高得多。除此之外，鿫甚至有可能比鈇和鎶更加活躍，後二者在週期表上位於反應性更高的鉛和汞之下。鿫反應性之所以會有大大提升，是因為其最後一個充滿的 7p 亞電子殼層從能量考量上穩定性降低，且亞殼層有徑向擴張的現象。更準確地說，7p 電子和惰性 7s 電子之間強大的自旋 - 軌道作用使得價電子殼層到了鈇就已閉合，鿫的閉合殼層的穩定性故此會大大降低。計算還顯示，和其他惰性氣體不同，鿫在結合一個電子時會釋放能量，也就是說，它的電子親和能為正數。這是因為在相對論效應下，8s 能級的穩定性會提高，7p3/2 能級的穩定性則會降低。根據預測，鎶和鈇沒有電子親和性。但另一方面，量子電動力學效應卻會大大降低這種親和性。這意味著，此類效應所帶來的修正項對超重元素的性質有很大的影響。

鿫預計會有很強的極化性，幾乎是氡的兩倍。根據惰性氣體的趨勢推算，鿫的沸點在 320 和 380 K 之間，比先前估算的 263 K 和 247 K 高得多。儘管這些計算的不確定性很大，但足以斷定，鿫在標準情況下呈氣態的可能性很低。而且，其他惰性氣體的液態溫度範圍較窄，只有 2 至 9 K，所以鿫在標準情況下最有可能是固體。假如鿫在標準情況下的確是氣體，就算是單原子氣體，它也會是標準情況下密度最高的氣態物質之一。

由於極化性極高，所以鿫的游離能會異乎尋常的低（和鉛相近，且比鈇低得多），而且具有標準凝聚態。相對論效應對鿫的原子核和電子雲結構都有較強的影響：鿫的 7p 軌域在自旋 - 軌道效應下有很強的分裂，所以價電子和核心電子亞殼層會「散開」成為均勻的電子費米氣體，這和相對論效應較弱的氡和氙不同。在核子（特別是中子）方面也有類似的情況。這種現象在中子殼層閉合的 302 
Og 原子核開始出現，並在殼層閉合，尚未發現的 472164 超重原子核（含 164 個質子，308 個中子）尤為突出。

### 預測存在的化合物

目前唯一一種經證實存在的鿫同位素 294 
Og 半衰期太短，其化學性質無法通過實驗直接探究。因此，科學家至今還沒有合成任何鿫化合物。不過，自 1964 年開始，科學家就對鿫的化合物做過不少的理論計算。他們預測，如果游離能足夠高的話，鿫就會很難氧化，所以它最常見的氧化態就會和其他惰性氣體一樣為零。但是，也有科學家發表過與之相悖的理論預測。

計算顯示，雙原子分子 Og 
2 的鍵合作用強度與 Hg 
2 相當，鍵解離能為 6 kJ/mol，大約為 Rn 
2 的四倍。出乎意料的是，計算出的鍵長比 Rn 
2 短 0.16 Å，意味著鿫原子之間有著很強的鍵合作用。另一方面，OgH+ 的鍵解離能（即鿫的質子親和能）則比 RnH+ 低。

根據預測，鿫和氫之間的作用力非常弱，可以視為純粹的范德華力，而不是真正的化學鍵。不過，鿫會和高電負度元素形成化學鍵，所產生的化合物預計比鎶或鈇所形成的化合物更穩定。+2 和 + 4 氧化態預計可以在 OgF 
2 和 OgF 
4 中穩定存在。因為 7p1/2 亞殼層被緊緊束縛，所以 + 6 態的穩定性會相對較低。這個現象，和鿫反應性比正常高的現象，都源自同一個原理。例如，鿫和 F 
2 結合形成 OgF 
2 時，會釋放 106 kcal/mol 的能量，其中 46 kcal/mol 就來自自旋 - 軌道作用。以相似的分子 RnF 
2 做類比，它形成時所釋放的 49 kcal/mol 能量之中，有 10 kcal/mol 出自自旋 - 軌道作用。該作用也提高了 OgF 
4 分子四面體形 Td 構型的穩定性，這有別於 XeF 
4 的平面四方 D4h 構型（估計也是 RnF 
4 的分子構型）。鿫氟鍵更有可能屬於離子鍵，而非共價鍵，所以鿫氟化物都不具揮發性。根據預測，由於鿫有很高的電正性，所以 OgF 
2 屬於半離子分子。同樣因為電正性，鿫能夠和氯成鍵，這和其他的惰性氣體有所不同（其實氙和氡有可能也可以和氯成鍵）。

## 參見

* 錒系後元素
* 超鈾元素

## 注釋

## 參考資料

## 延伸閱讀

* Scerri, Eric. The Periodic Table, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. 2007. ISBN 978-0-19-530573-9.

## 外部連結

* 元素鿫在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鿫（英文）
* 元素鿫在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鿫在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鿫（英文）
* Element 118: Experiments on discovery（聯合核研究所發現者的官方網頁）
* Oganesson（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（_The Periodic Table of Videos_，諾丁漢大學）
* On the Claims for Discovery of Elements 110, 111, 112, 114, 116, and 118（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（IUPAC 有關新元素發現的技術審核報告）