第111號元素

**錀**（拼音：lún，注音：ㄌㄨㄣˊ，音同「倫」；英語：**Roentgenium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Rg**，原子序數為 111。錀是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器少量合成。所有錀同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其最重也最長壽的已知同位素為錀 - 282，其半衰期約為 100 秒。未經證實的同位素錀 - 286 可能具有更長的半衰期，約為 10.7 分鐘。目前科學家僅成功合成出很少的錀原子，除了基礎科學研究之外，錀沒有任何實際應用。

錀是週期表中 11 族的成員，所以其性質預計和金、銀、銅等同族金屬類似，可能會是銅紅色、銀白色或金黃色等有色彩的固體金屬。由於錀沒有足夠穩定的同位素，因此目前未能通過化學實驗來驗證其是否為金的化學同系物。

德國達姆施塔特重離子研究所的研究團隊在 1994 年首次合成出錀元素。其名稱得自發現 X 射線的德國物理學家威廉・倫琴，不過錀衰變時並不會放出 X 射線。

## 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

錀是由德國達姆施塔特的重離子研究所（GSI）於 1994 年 12 月 8 日，在線性加速器內利用鎳 - 64 轟擊鉍 - 209 而合成的。這次實驗成功產生了三顆錀 - 272 原子，其迅速衰變成其他元素。

　
: $\,_{83}^{209}\mathrm {Bi} +\,_{28}^{64}\mathrm {Ni} \to \,_{111}^{272}\mathrm {Rg} \ +\,_{0}^{1}\mathrm {n} $

IUPAC/IUPAP 聯合工作小組（JWP）在 2001 年時認為沒有足夠證據證明當時確實發現了錀。GSI 的小組在 2002 年重複實驗，並再檢測到三個原子。在他們 2003 年的報告當中，聯合工作小組決定承認 GSI 團隊對此新元素的發現。

### 命名

111 號元素在 2004 年 11 月 1 日被命名為 Roentgenium（Rg），紀念 1895 年發現 X 射線的科學家威廉・倫琴。根據 IUPAC 元素系統命名法，111 號元素原稱「Unununium」（Uuu），源自 111 的拉丁語寫法。

2005 年，全國科學技術名詞審定委員會提出第 111 號元素中文定名草案。2006 年 1 月 20 日下午由全國科學技術名詞審定委員會、國家語言文字工作委員會組織召開的第 111 號元素中文定名研討會上，確定使用類推簡化字「𬬭」（讀音同「倫」），對應繁體字「錀」字，是古代表示化學元素金的古字。2007 年 3 月 21 日全國科學技術名詞審定委員會公布這一結果，同時也宣布該命名已經得到國家語言文字工作委員會的同意。

## 同位素與核特性

目前已知的錀同位素共有 7 個，質量數分別為 272、274 和 278-282，還有兩個已知但未確認的亞穩態，錀 - 272m 和錀 - 274m。錀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，其中最長壽的同位素為錀 - 282，半衰期約 100 秒，也是目前發現最重的錀同位素。未經證實的同位素錀 - 283 和錀 - 286 可能具有更長的半衰期，分別為 5.1 分鐘和 10.7 分鐘。除了錀 - 282 外，其他壽命較長的同位素有錀 - 280 和錀 - 281，半衰期分別為 4.6 秒和 17 秒，剩下 4 種較輕同位素的半衰期均以毫秒計。大多數錀同位素主要發生 α 衰變或自發裂變，但錀 - 280 也有機率發生電子捕獲。

### 核合成

#### 能產生 Z=111 複核的目標、發射體組合

下表列出各種可用以產生 111 號元素的目標、發射體組合。

#### 冷聚變

##### 209Bi(64Ni,xn)273−xRg (x=1)

位於俄羅斯杜布納的團隊在 1986 年使用這種冷核融合反應進行了第一次合成錀的實驗。實驗並沒有產生可辨認為錀的原子核，截面限制在 4 pb。其後 GSI 的團隊使用改進了的設施進行實驗，成功發現 3 顆 272Rg 原子；另於 2000 年再合成 3 顆原子。日本理化學研究所在 2003 年測定 14 個 272Rg 原子的衰變 1n 激發能，證實了錀的發現。

##### 208Pb(65Cu,xn)273−xRg (x=1)

2004 年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室在利用原子序為奇數的發射體進行該冷聚變反應時，檢測到 272Rg 的單個原子。

#### 作為衰變產物

科學家也曾在更重元素的衰變產物中觀察到錀的同位素。

#### 同位素發現時序

### 核異構物

#### 274Rg

科學家在源自 278Nh 的衰變鏈中觀測到 274Rg 的兩個原子。這兩個衰變事件的數據有所出入，而且兩條衰變鏈似乎有所不同。這表明 274Rg 存在同核異構物，但需要進一步研究。

#### 272Rg

直接合成 272Rg 時，該同位素發射出 4 顆 α 粒子，其能量分別為 11.37、11.03、10.82 和 10.40 MeV。GSI 所測得的 272Rg 半衰期為 1.6 毫秒，同時從日本理化學研究所得到的數據顯示半衰期約 3.8 毫秒。衝突的數據可能是由於存在同核異構物，但目前的數據不足以作出任何結論。

### 同位素產量

下表列出直接合成錀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

## 化學屬性

### 電子結構（相對論）

穩定的 11 族元素銅、銀和金都有著 _n_d10(_n_+1)s1 形式的外層電子組態。這些元素的第一激發態原子的外層電子組態為 _n_d9(_n_+1)s2。由於 d 軌域電子之間的自旋 - 軌道作用，這種狀態分為兩個不同的能階。銅基態和最低激發態之間的能量差使銅呈紅棕色。銀的能量差距更大，因此呈銀色。然而，隨著原子序的增加，相對論效應使激發態更加穩定，金的能量差減少，因此再次呈金黃色。有關錀的計算表明，6d97s2 能階足夠穩定，應可成為基態，而 6d107s1 則會是第一激發態。該新的基態與第一激發態間的能量差和銀相似，因此錀預計將呈銀色。

### 推算的化學屬性

#### 氧化態

錀預計將是 6d 系過渡金屬的第 9 個成員，屬於週期表中 11 族（IB）最重的成員，位於銅、銀和金的下面。每個 11 族元素的穩定氧化態都不同：銅形成穩定的 + 2 態，銀則主要形成銀 (I)，金則主要形成金 (III)。銅 (I) 和銀 (II) 比較少見。因此，錀預計主要形成穩定的 + 3 態。由於相對論效應，金也形成 - 1 穩定氧化態，錀可能也這樣做。

#### 化學特性

該族較重的成員對化學反應呈惰性。銀和金都對氧氣呈惰性，但能與鹵素發生反應。此外，銀亦能與硫和硫化氫發生反應，銀的反應活性明顯比金較高。錀的惰性預計比金更高，將不會與氧和鹵素發生反應。最有可能的反應是與氟形成氟化物 RgF3，與水形成的氫氧化物 Rg (OH)3，以及通過氫氧化物製取得 Rg2O3。

## 大眾文化

此元素在動畫節目「海綿寶寶」中，名字稱為邪惡元素（Jerktonium），符號為 Jt，此元素有 111 個質子，在節目中可讓比奇堡的生物變邪惡，但是海綿寶寶和章魚哥除外，在節目中解藥為一首歌。

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

* 元素錀在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 錀（英文）
* 元素錀在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素錀在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 錀（英文）
* 新華網 ─ 德國科學家發現的第 111 號元素獲得認可 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中國語言文字工作網：第 111 號化學元素中文定名為「釒侖」 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 搜狐網：海峽兩岸取得一致意見 111 號元素中文名 "錀" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）