第114號元素

**鈇**（拼音：fū，注音：ㄈㄨ，音同「夫」；英語：**Flerovium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Fl**，原子序數為 114。鈇是一種放射性極強的超重元素，所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定。鈇不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器反應生成。科學家至今共觀測到約 90 個鈇原子，其中 58 個是直接合成的，其餘的則是在更重元素（鉝和鿫）的衰變產物中發現的。所有衰變都來自 285Fl～289Fl，一共 5 個質量數相鄰的鈇同位素。

在元素週期表中，鈇是位於 p 區的錒系後元素，屬於第 7 週期、第 14 族（碳族），是已知最重的碳族成員。但 2007 年進行的初步化學實驗指出，鈇具有出乎意料的高揮發性，性質和同族的鉛非常不同。在初步實驗中，鈇甚至似乎表現出與惰性氣體相似的性質。更近期的實驗結果顯示，鈇與金的化學反應與鎶相似，表明鈇是一種極易揮發的元素，在標準狀況下甚至可能是氣態的。實驗中鈇也表現出其金屬性，顯示其為鉛的較重化學同系物，且是第 14 族中反應活性最低的金屬。截至 2022 年，科學家對鈇的性質到底更像金屬還是惰性氣體的問題仍未有定論。

目前已知最長壽的鈇同位素為鈇 - 289，半衰期約為 1.9 秒。未經證實的同位素鈇 - 290 可能具有更長的半衰期，為 19 秒。科學家預計鈇位於理論上的穩定島的中心附近，並且預測更重的未發現同位素，尤其是核子數為雙重幻數的鈇 - 298，可能具有更長的半衰期。

俄羅斯杜布納聯合核研究所（JINR）的研究團隊在 1998 年首次合成出鈇。其名稱得自蘇聯原子物理學家格奧爾基・佛雷洛夫。

## 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

1998 年 12 月，位於俄羅斯杜布納聯合核研究所（JINR）的科學家使用 48Ca 離子撞擊 244Pu 目標體，合成一個鈇原子。該原子以 9.67 MeV 的能量進行 α 衰變，半衰期為 30 秒。該原子其後被確認為 289Fl 同位素。這項發現在 1999 年 1 月公佈。然而，之後的實驗並未能重現所觀測到的衰變鏈。因此這顆原子的真正身份仍待確認，有可能是穩定的同核異構物 289mFl。

1999 年 3 月，同一個團隊以 242Pu 代替 244Pu 目標體，以合成其他的鈇同位素。這次，他們成功合成兩個鈇原子，原子以 10.29 MeV 的能量進行 α 衰變，半衰期為 5.5 秒。這兩個原子確認為 287Fl。其他的實驗同樣未能重現這次實驗的結果，因此真正產生的原子核身份一樣不能被確定，但有可能是穩定的同核異構物 287mFl。

杜布納的團隊在 1999 年 6 月進行實驗，成功製成鈇。這項結果是受到公認的。他們重複進行 244Pu 的反應，並產生兩個鈇原子，原子以 9.82 MeV 能量進行 α 衰變，半衰期為 2.6 秒。

研究人員一開始把所產生的原子認定為 288Fl，但 2002 年 12 月進行的研究工作則將結論更改為 289Fl。

　
: $\,_{94}^{244}\mathrm {Pu} +\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} \to \,_{114}^{292}\mathrm {Fl} ^{*}\to \,_{114}^{289}\mathrm {Fl} +3\,_{0}^{1}\mathrm {n} $

2009 年 5 月，IUPAC 的聯合工作組發布鎶的發現報告，其中提到 283Cn 的發現。由於 287Fl 和 291Lv（見下）的合成數據牽涉到 283Cn，因此這也意味著鈇的發現得到證實。

2009 年 1 月，伯克利團隊證實 287Fl 和 286Fl 的發現。接著在 2009 年 7 月，德國重離子研究所又證實 288Fl 和 289Fl 的發現。

2011 年 6 月 11 日，IUPAC 證實鈇的存在。

### 命名

Flerovium（Fl）是 IUPAC 在 2012 年 5 月 30 日正式採用的，以紀念蘇聯原子物理學家格奧爾基・弗廖羅夫。此前根據 IUPAC 元素系統命名法所產生的臨時名稱為 Ununquadium（Uuq）。科學家通常稱之為「元素 114」（或 E114）。

### 中文命名

2012 年 6 月 2 日，中華民國國家教育研究院的化學名詞審譯委員會暫定以**鈇**作為該元素的中文名稱。
2013 年 7 月，中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會通過以**𫓧**（讀音同「夫」）為中文定名。

### 未來的實驗

日本理化學研究所的一個團隊已表示有計劃研究以下的冷聚變反應：

　
: $\,_{82}^{208}\mathrm {Pb} +\,_{32}^{76}\mathrm {Ge} \to \,_{114}^{284}\mathrm {Fl} ^{*}\to \,?$

Flerov 核反應實驗室在未來有計劃研究在 239Pu 和 48Ca 反應中合成的較輕的鈇同位素。

也有計劃使用不同發射體能量再次用 244Pu 進行反應，以進一步了解 2n 通道，從而發現新的同位素 290Fl。

## 同位素與核特性

目前已知的鈇同位素共有 6 個，質量數分別為 284-289，此外鈇 - 289 還有已知但未確認的亞穩態。鈇的同位素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鈇 - 289，半衰期約 1.9 秒，也是目前發現最重的鈇同位素。未經證實的同位素鈇 - 290 可能具有更長的半衰期，為 19 秒。除了鈇 - 289 外，其他半衰期較長的同位素還有鈇 - 289m（未經證實），半衰期為 1.1 秒，其餘較輕同位素的半衰期都在 1 秒以下。

### 核合成

#### 能產生 Z=114 覆核的目標、發射體組合

下表列出各種可用以產生 114 號元素的目標、發射體組合。

#### 冷聚變

##### 208Pb(76Ge,_x_n)284−_x_Fl

第一次以冷聚變合成鈇的實驗於 2003 年法國國家大型重離子加速器（GANIL）進行，產量限制為 1.2 pb 時並沒有合成任何原子。

#### 熱聚變

##### 244Pu(48Ca,_x_n)292−_x_Fl (_x_=3,4,5)

杜布納的一個團隊於 1998 年 11 月首次嘗試合成鈇。他們探測到一個源自 289Fl 的長衰變鏈。在 1999 年重複進行的實驗再次合成了兩個鈇原子，這次則是 288Fl。團隊在 2002 年進一步研究了這項反應。在測量 3n、4n 和 5n 中子蒸發激發函數時，他們探測到 3 個 289Fl 原子、12 個 288Fl 原子及 1 個新同位素 287Fl 原子。根據這些結果，第一個被探測到的原子是 290Fl 或 289mFl，而接著的兩個原子是 289Fl。2007 年 4 月利用 285Cn 來研究鎶的化學特性時，科學家再次進行這條反應。瑞士保羅謝勒研究所和 Flerov 核反應實驗室直接探測到兩個 288Fl 原子，這為對鈇的首次化學研究打下基礎。

2008 年 6 月，科學家再用該反應來產生 289Fl 同位素，以研究鈇的化學特性。這次發現了一個鈇原子，這得以確認它的屬性類似於惰性氣體。

2009 年 5 月至 7 月，德國重離子研究所第一次研究了這個反應，再進一步嘗試合成 Ts。團隊成功確認了 288Fl 和 289Fl 的合成與衰變數據，合成的原子中，前者有 9 個，而後者有 4 個。

##### 242Pu(48Ca,_x_n)290−_x_114 (_x_=2,3,4,5)

杜布納的團隊首先在 1999 年 3 月至 4 月研究了這項反應，並探測到兩個 287Fl 原子。由於有關 283Cn 的數據有衝突，所以科學家在 2003 年 9 月重複進行了該實驗，以確認 287Fl 和 283Cn 的衰變數據（詳見鎶）。他們通過測量 2n、3n 和 4n 激發函數得到了 288Fl、287Fl 和新同位素 286Fl 的衰變數據。

2006 年 4 月，保羅謝勒研究所和 Flerov 核反應實驗室的合作計劃曾使用過這項反應來產生 283Cn，以研究鎶的屬性。在 2007 年 4 月進行的一項確認實驗中，團隊直接探測到 287Fl，並能夠取得有關鈇原子化學特性的最初數據。

2009 年 1 月，伯克利的團隊使用伯克利充氣分離器（BGS）和新得到的 242Pu 樣本繼續進行研究，通過以上反應嘗試合成鈇。2009 年 9 月，他們公佈成功探測到 2 個鈇原子，分別為 287Fl 和 286Fl，證實了 Flerov 核反應實驗室取得的衰變數據，但是所測量的截面更低。

2009 年 4 月，瑞士和俄羅斯的合作研究計劃再次使用以上反應進行了對鈇化學屬性的研究，其中探測到一個 283Cn 原子。

2010 年 12 月，勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊公佈發現了 285Fl 原子，並觀測到 5 個衰變產物的新同位素。

#### 作為衰變產物

科學家也曾在鉝和鿫的衰變鏈中觀測到鈇的同位素。

#### 撤回的同位素

##### 285Fl

在 1999 年發現 293Og 的報告中，285Fl 是以 11.35 MeV 能量進行 α 衰變的，半衰期為 0.58 ms。發現者於 2001 年撤回了這項發現。這個同位素最後是在 2010 年被合成的，其衰變屬性和 1999 年報告中的不符，意味著撤回的數據是錯誤的。

#### 同位素發現時序

#### 原子序為 114 覆核的裂變

2000 年至 2004 年期間 Flerov 核反應實驗室進行了幾項研究 292Fl 複核衰變屬性的實驗。他們所使用的核反應為 244Pu+48Ca。結果顯示，這些複核進行裂變時主要發射完整軌域原子核，如 82 
132Sn。另一項發現是，使用 48Ca 和 58Fe 作為發射體的聚變裂變路徑相似，這表示未來在合成超重元素時有可能使用 58Fe 發射體。

### 核異構物

#### 289Fl

第一次合成的鈇同位素為 289Fl，它以 9.71 MeV 的能量進行 α 衰變，時長為 30 秒。之後的直接合成實驗中並未被觀測到這種現象。然而，在一次 293Lv 的合成實驗中，所測得的衰變鏈釋放了 9.63 MeV 能量的 α 粒子，時長為 2.7 秒。之後其他的衰變都與 289Fl 的相似。這很明確地表明，這些衰變活動都是來自於同核異構物的。近期實驗中並未出現類似的活動，表示這種同核異構物的產量約為基態的 20%，而第一個實驗觀測到的現象只是巧合。要解釋這個問題，必須進行更多的研究。

#### 287Fl

使用 242Pu 作為目標的初次實驗中，所觀測到的 287Fl 同位素進行衰變時放射能量為 10.29 MeV 的 α 粒子，時常為 5.5 秒。其衰變產物再進行自發裂變，時常符合先前合成的 283Cn。後來科學家再沒有觀測到同樣的衰變活動（詳見鎶）。不過，兩者的相關性表示實驗結果是非隨機的，而合成方式是不會影響同核異構物的生成的。這些問題要經過更多研究才能解決。

### 同位素產量

下表列出直接合成鈇的聚變核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。

MD = 多面；DNS = 雙核系統； σ = 截面

#### 衰變特性

對 Fl 不同同位素半衰期的理論估算與實驗結果相符。沒有裂變的同位素 298Fl 的 α 衰變半衰期預計有 17 天。

### 尋找穩定島：298Fl

根據宏觀 — 微觀理論，原子序 114 是下一個幻數。這意味著，該原子核呈球體狀，而其基態將會有高和寬的裂變位壘，因此自發裂變部分的半衰期會很長。

當原子序為 114 時，宏觀 — 微觀理論表示下一個中子幻數為 184，因此 298Fl 原子核很有可能會是繼 208Pb（原子序 82、中子數 126）之後下一個滿足雙重幻數的原子核。298Fl 位於理論預計的「穩定島」的中央。然而，其他運用相對論平均場理論的計算顯示，原子序 120、122 和 126 才是幻數。有一種可能性是，穩定性並不在單一數字上飆升，而是在原子序從 114 到 126 時都是較高的。

由於偶核效應，297 鏌的軌域修正能量最低，因此裂變位壘最高。由於較高的裂變位壘，任何在這穩定島上的原子核都只會進行 α 衰變，所以半衰期最長的原子核將會是 298Fl。半衰期預計很難超過 10 分鐘，除非中子數為 184 的中子軌域實際比理論上預計的更穩定。另外，由於有奇數中子，297Fl 的半衰期可能會更長。

## 化學屬性

### 推算的化學屬性

#### 氧化態

鈇預計屬於 7p 系，並是元素週期表中 14 (IVA) 族最重的成員，位於鉛之下。這一族的氧化態為 + IV，而較重的元素也表現出較強的 + II 態，這是因為惰性電子對效應。錫的 + II 和 + IV 態強度相近。鉛的 + II 態比 + IV 態強。因此鈇應該繼續這一趨勢，有著氧化性的 + IV 態和穩定的 + II 態。

#### 化學特性

鈇的化學特性應與鉛相近，能形成 FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2 和 FlI2。如果其 + IV 態能夠進行化學反應，它將只能形成 FlO2 和 FlF4。它也有可能形成混合氧化物 Fl3O4，類似於 Pb3O4。

一些研究指出鈇的化學特性可能和惰性氣體氡更接近。

### 實驗化學

#### 原子氣態

2007 年 4 月至 5 月，瑞士保羅謝勒研究所與 Flerov 核反應實驗室的合作計劃研究了鎶的化學特性。第一項反應為 242Pu(48Ca,3n)287Fl，第二項反應為 244Pu(48Ca,4n)288Fl。他們將所生成的原子在金平面上的吸收屬性與氡的屬性作了比較。第一項實驗探測到 3 個 283Cn 原子，但同時也似乎探測到了 1 個 287Fl 原子。這項結果是出乎意料的，因為要移動生成了的原子需時大約 2 秒，鈇原子應該在被吸收前已經衰變了。第二個反應產生了 2 個 288Fl 原子和 1 個 289Fl 原子。其中兩個原子的吸收特性符合惰性氣體的特性。2008 年進行的實驗肯定了這一重要的結果，所產生的 289Fl 原子特性也符合先前的數據，表示鈇和金發生交互作用時類似於惰性氣體。

## 參見

* 穩定元素島：鈇–120 號元素– 126 號元素
* 元素
* 元素週期表
* 幻數
* 鉛
* 擴展元素週期表
* 鈇的同位素

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

* 元素鈇在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鈇（英文）
* 元素鈇在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鈇在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鈇（英文）
* First postcard from the island of nuclear stability
* Second postcard from the island of stability