第108號元素

**𨭆**（拼音：hēi，注音：ㄏㄟ；英語：**Hassium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Hs**，原子序數為 108。𨭆是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，其所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其中壽命最長的是 269Hs，半衰期僅約 16 秒。德國黑森邦達姆施塔特重離子研究所的研究團隊在 1984 年首次合成出𨭆元素，並以黑森邦命名此元素。到目前為止，多個研究通過不同的核反應，一共合成了超過 100 個𨭆原子，有的是母原子核，有的是更重元素的衰變產物。

𨭆是 8 族中最重的元素，實驗證明，𨭆是典型的 8 族過渡金屬，具穩定的 + 8 氧化態，類似於同族的鋨，是鋨的同系物。

## 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

1984 年，由彼得・安布魯斯特和哥特佛萊德・明岑貝格領導的研究隊於德國達姆施塔特重離子研究所首次進行了𨭆的合成反應。團隊以 58Fe 原子核撞擊鉛目標體，製造出 3 個 265Hs 原子，反應如下：

　
: $\,_{82}^{208}\mathrm {Pb} +\,_{26}^{58}\mathrm {Fe} \to \,_{108}^{265}\mathrm {Hs} +\,_{0}^{1}\mathrm {n} $

IUPAC/IUPAP 超鐨元素工作組在 1992 年的一份報告中承認，重離子研究所是𨭆的正式發現者。

### 命名

𨭆曾經被稱為 eka 鋨。在命名爭議期間，IUPAC 使用的臨時系統名稱是 Unniloctium（符號為 Uno），來自數字 1、0、8 的拉丁語寫法。

德國發現者在 1992 年正式提出使用 Hassium 作為 108 號元素的名稱，取自研究所所在地德國黑森州的拉丁語名（Hassia）。

1994 年，IUPAC 的一個委員會建議把元素 108 命名為 Hahnium（Hn），雖然長期的慣例是把命名權留給發現者。在德國發現者抗議之後，1997 年 8 月 27 日 IUPAC 正式對國際上分歧較大的 101 至 109 號元素的重新英文定名中，國際承認了現用名稱 Hassium 作為 108 號元素的命名。

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，其中首次給出 108 號元素中文名：「𨭆」（hēi，音同「黑」），名稱根據 IUPAC 決定的英文名 Hassium，源自發現該元素的德國重離子研究所所在的德國黑森州。

## 核合成

### 冷核融合

**136Xe(136Xe,xn)272−xHs**

未來重要的實驗將會包括通過該對稱反應利用裂變碎片合成𨭆同位素。這條反應曾於 2007 在杜布納進行，但未探測到任何原子，截面限制為 1 pb。一經證實，這種對稱聚變反應就應該算是熱核融合，而非一開始認為的冷核融合。這意味著，該反應用於合成超重元素的實際用途具有限制。

**198Pt(70Zn,xn)268−xHs**

該反應於 2002 年 5 月在重離子研究所進行。不過，由於鋅 - 70 粒子束的失敗，實驗被中斷了。

**208Pb(58Fe,xn)266−xHs (x=1,2)**

1978 年位於杜布納的團隊首次報告了該反應。在 1984 年的一次實驗中，他們利用滾筒技術探測到了來自 260Sg 的一次自發裂變行為，而 264Hs 是其母同位素。同年進行的重復實驗中，他們用化學辨識衰變產物，從而證明了元素 108 的成功合成。所探測到的有 253Es 和 253Fm 的 α 衰變，這些都是 265Hs 的衰變產物。

在 1984 年正式發現𨭆元素的實驗中，重離子研究所的團隊使用了 α 衰變相關法，並辨認出 3 顆 265Hs 原子。在 1993 年改進設施之後，團隊在 1994 年重復進行了實驗，並在測量 1n 中子蒸發通道的部分激發函數時，探測到 75 個 265Hs 原子和 2 個 264Hs 原子。在 1997 年進行的另一次實驗中，測量到的 1n 通道的最大值為 69 pb，另探測到 20 個原子。

理化學研究所於 2002 年的重復實驗成功製造出 10 個原子，而國家大型重離子加速器於 2003 年製造出 7 個原子。

理化學院究所的團隊於 2008 年再次研究該反應，以對 264Hs 作出首次的光譜分析。他們另又發現 29 個 265Hs 原子。

**207Pb(58Fe,xn)265−xHs (x=1)**

1984 年在杜布納進行的實驗首次使用 Pb-207 目標。團隊探測到與使用 Pb-208 時的實驗相同的自發裂變，來自同位素 260Sg，264Hs 的子同位素。位於重離子研究所的團隊首次於 1986 年研究這條反應，並使用 α 衰變相關法發現了單個 264Hs 原子，截面為 3.2 pb。反應在 1994 年重復進行，同時探測到 α 衰變和自發裂變 264Hs。

理化學研究所在 2008 年研究了該反應，以進行首次對 264Hs 的光譜分析。該團隊探測到 11 個原子。

**208Pb(56Fe,xn)264−xHs (x=1)**

勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊在 2008 年首次研究該反應，並製造及辨認出 6 個新發現的 263Hs 同位素原子。數月之後，理化學研究所的團隊也發佈了他們對同一條反應的研究結果。

**206Pb(58Fe,xn)264−xHs (x=1)**

理化學研究所的團隊在 2008 年首次研究了該反應，並識別出 8 個新發現的 263Hs 同位素原子。

**209Bi(55Mn,xn)264−xHs**

最初對𨭆原子核的合成實驗使用的就是這條反應，由杜布納的一支團隊在 1983 年進行。他們使用滾筒技術，探測到來自 255Rf 的自發裂變，而該同位素是 263Hs 的衰變產物。1984 年重復進行的實驗得到同樣的結果。1983 年的另一次實驗當中，他們通過化學辨識衰變產物，從而支持𨭆的合成結果。探測到的有鐨同位素的 α 衰變，該鐨同位素是 262Hs 的衰變產物。這條反應之後一直沒有進行嘗試，因此 262Hs 的存在至今仍未證實。

### 熱核融合

**226Ra(48Ca,xn)274−xHs (x=4)**

位於 Flerov 核反應實驗室由 Yuri Oganessian 領導的團隊聲稱在 1978 年曾研究過這條反應，但實驗結果沒有發佈在任何文獻當中。該反應於 2008 年 6 月在同一實驗室重復進行，結果探測到 4 個 270Hs 同位素原子，產量為 9 pb。該同位素的衰變數據得到証實後，發現 α 能量稍微更高。2009 年 1 月，團隊重復進行實驗，再探測到 2 個 270Hs 原子。

**232Th(40Ar,xn)272−xHs**

這條反應首次再 1987 年於杜布納進行。探測方式為自發裂變，但並未發現任何成功地反應，截面限制為 2 pb。

**238U(36S,xn)274−xHs (x=4)**

該反應使用罕見且昂貴的 36S 同位素，於 2008 年 4 月至 5 月在重離子研究所進行。初步結果顯示，實驗探測到 1 個 270Hs 原子，產量為 0.8 pb。數據証實了 270Hs 和 266Sg 的衰變特性。

**238U(34S,xn)272−xHs (x=4,5)**

1994 年 3 月，位於杜布納由 Yuri Lazerev 領導的團隊宣佈在 5n 中子蒸發通道探測到 3 個 267Hs 原子。在重離子研究所的團隊在同時研究鐽的時候証實了𨭆同位素的衰變特性。

這項實驗於 2009 年 1 月至 2 月在重離子研究所進行，用以發現新同位素 268Hs。由 Nishio 教授領導的團隊探測到 1 個 268Hs 和 1 個 267Hs 原子。新發現的同位素經過 α 衰變後形成已知的 264Sg 同位素。

**248Cm(26Mg,xn)274−xHs (x=3,4,5)**

重離子研究所與保羅謝爾研究所的合作團隊研究了鋦 - 248 和鎂 - 26 離子之間的反應。在 2001 年 5 月到 2005 年 8 月期間，團隊研究了產生 269Hs、270Hs 及 271Hs 的 3n、4n 及 5n 中子蒸發通道的激發函數。2006 年 12 月，慕尼黑工業大學的科學團隊發佈了合成 270Hs 同位素的重要結果。報告指出，該同位素經 α 衰變，能量為 8.83 MeV，預計半衰期約為 22 秒，形成 266Sg。

**248Cm(25Mg,xn)273−xHs**

這條新的反應在 2006 年 7 月至 8 月由重離子研究所用於合成新的同位素 268Hs。從中子蒸發通道未能探測到任何原子，計算的界面限制為 1 pb。

**249Cf(22Ne,xn)271−xHs**

杜布納的團隊在 1983 年研究了該反應，並用自發裂變作出探測。探測到的幾次短期自發裂變活動證明了𨭆原子核的生成。

## 同位素

目前已知的𨭆同位素有 12 個，全部都具有極高的放射性，半衰期極短，非常不穩定。其中壽命最長的是𨭆-269，半衰期約 16 秒。

### 待證實的同位素

**277bHs**

同位素 277Hs 曾在一次自發裂變事件中被觀察到，其半衰期為較長的 11 分鐘左右。在 281Ds 的大部分衰變過程中都未能探測到該同位素，其唯一一次被探測到是在同質異構核 281bDs 的未經証實的一次衰變當中。其半衰期對基態核來說很長，因此它有可能屬於 277Hs 的一個同質異構核。另外在 2009 年，重離子研究所的團隊觀察到 281aDs 的 α 衰變分鏈產生了 277Hs 同位素，其後該同位素進行自發裂變，半衰期較短。測量到的半衰期接近基態同質異構核 277aHs 的預期值。要證實該同質異構核的存在，需進行進一步的研究。

### 撤回的同位素

**273Hs**

勞倫斯伯克利國家實驗室於 1999 年聲稱合成元素 118，反應期間出現 273Hs 同位素核子。他們聲稱該同位素以能量 9.78 及 9.47 MeV 進行 α 衰變，半衰期為 1.2 秒。該發現在 2001 年被撤回。這一同位素最終在 2010 年被合成，而所記錄的數據證明先前的數據是虛假的。

**270Hs**

根據宏觀微觀理論，Z=108 質子數是變形質子幻數，連同 N=162 的中子殼層。這代表這種原子核的基態是永遠變形的，但其裂變位壘高而窄，造成進一步變形，因此其自發裂變部分半衰期相對較長。此區域的自發裂變半衰期比接近球體雙重幻數的原子核 298114 小大約 109 倍。這是由於裂變位壘較窄，導致以量子隧穿效應穿越位壘的機率增加。另外，根據計算，N=162 中子數是變形中子幻數，因此 270Hs 原子核很有可能是變形雙重幻數核。Z=110 的同位素 271Ds 及 273Ds 的衰變數據，說明 N=162 支殼層有可能為幻數。對 269Hs、270Hs 和 271Hs 的合成實驗也指出 N=162 是幻數閉殼層。270Hs 的低衰變能量與計算的完全相符。

### Z=108 變形質子殼層的證據

證明 Z=108 質子殼層的幻數特性的證據有以下兩點：

1. 同中子異位素自發裂變的部分半衰期變化。
2. Z=108 和 Z=110 同中子異位素對 Qα 值間的大差距。

對於自發裂變，有必要測量同中子異位素核 268Sg、270Hs 和 272Ds 的半衰期。由於𨭎和鐽的這兩個同位素還是未知的，而 270Hs 的衰變還未經過測量，因此該方法目前能夠用來證實 Z=108 殼層的穩定性質。但 Z=108 的幻數特性可以從 270Hs、271Ds 及 273Ds 的 α 衰變能量間的大差距中推導出。測量 272Ds 的衰變能量能量後能夠得出更有力的證據。

### 同質異能核

**269Hs**

對 269Hs 的直接合成產生了三條 α 線，於 9.21、9.10 及 8.94 MeV。在 277112 的衰變當中，只觀察到能量為 9.21 MeV 的 269Hs 的 α 衰變，表示該衰變源自同質異能核。要證實這一點則需進一步研究。

**267Hs**

已知 267Hs 進行 α 衰變，α 線位於 9.88、9.83 和 9.75 MeV，半衰期為 52 ms。在合成 271m,gDs 的時候，觀察到額外的活動。包括一次 0.94 ms，能量為 9.83 MeV 的 α 衰變，其餘還有更長的約 0.8 s 和約 6.0 s 的活動。這些活動來源現時不清，需要更多的研究得到證實。

**265Hs**

對 265Hs 的合成也證明兩個能級的存在。基態進行能量為 10.30 MeV 的 α 衰變，半衰期為 2.0 ms。其同質異能態能量比基態高 300 keV，進行 10.57 MeV 的 α 衰變，半衰期為 0.75 ms。

## 化學特性

### 推算的化學特性

#### 氧化態

𨭆預計為過渡金屬中 6d 系的第 5 個元素及 8 族中最重的元素，在週期表中位於鐵、釕和鋨之下。該族中的後兩個元素表現出的氧化態為 + 8，而這種氧化態在族中越到下方越為穩定。因此𨭆的氧化態應為 + 8。鋨同時還有穩定的 + 5、+4 及 + 3 態，其中 + 4 態最為穩定。而釕則同時有 + 6、+5 及 + 3 態，當中 + 3 態最為穩定。𨭆也因此預計擁有穩定的低氧化態。

#### 化合物

第 8 族元素獨特的氧化物化學使對𨭆元素特性的推算更為容易。同族較輕的元素都已知擁有或預測擁有四氧化物，MO4。一直向下，該族的氧化力逐漸下降：FeO4 並不存在，因為極高的電子親合能使其形成常見的 FeO42−。釕 (VI) 在酸中經過氧化後形成四氧化釕，RuO4，而四氧化釕經過還原反應後形成 RuO42−。釕金屬在空氣中氧化後形成二氧化釕，RuO2。對比之下，鋨燃燒後產生穩定的四氧化鋨，OsO4，然後與氫氧根離子產生錯合物 [OsO4(OH)2]2−。因此，作為鋨對下的元素，𨭆應該會形成揮發性四氧化𨭆，HsO4，再與氫氧根離子配合形成 [HsO4(OH)2]2−。

#### 密度

𨭆預計體密度為 41 g/cm3，是所有 118 個已知元素中最高的，幾乎為鋨的兩倍，而鋨是目前已測量的元素中密度最高的，有 22.6 g/cm3。這是由於𨭆擁有高原子量，並加上鑭系與錒系收縮效應和相對論性效應，但是真正製造足夠𨭆元素以測量其密度是不可行的，因為樣本會即刻進行衰變。

### 實驗性化學

#### 氣態化學

𨭆的電子組態預計為 [Rn] 5f14 6d6 7s2，因此𨭆應會產生揮發性四氧化物 HsO4。其揮發性是由於該分子的四面體形。

對𨭆的首次化學實驗在 2001 年進行，運用了熱色譜分析法，以 172Os 作為參照物。利用反應 248Cm(26Mg,5n)269Hs，實驗探測到 5 個𨭆原子。產生的原子在 He/O2 混合物中經過熱能化及氧化後產生氧化物。

　
: 269 
108Hs 
  + 2 O 
2 → 269 
108Hs 
O 
4

所測量到的熱解離溫度表示四氧化𨭆的揮發性比四氧化鋨低，同時也肯定了𨭆的特性屬於 8 族。

為了進一步探測𨭆的化學屬性，科學家決定研究四氧化𨭆與氫氧化鈉間產生的𨭆酸鈉的反應。該反應是鋨的一條常見反應。在 2004 年，科學家公佈成功進行了第一次對𨭆化合物的酸鹼反應： 

　
: HsO 
4 + 2 NaOH → Na 
2[HsO 
4(OH) 
2]

#### 化合物與錯離子

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

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