第117號元素

**鿬**（；拼音：tián，注音：ㄊ丨ㄢˊ，音同「田」；英語：**Tennessine**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Ts**，原子序數為 117，在當前所有已發現的元素中原子序第二高，僅次於 118 號元素鿫。鿬是一種放射性極強、極為不穩定的超重元素，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，其所有同位素的半衰期都極短，最長壽的已知同位素為 294Ts，半衰期僅約 51 毫秒。

2010 年，一個美俄聯合科學團隊在俄羅斯杜布納聯合原子核研究所首次宣佈發現鿬。2011 年的另一項實驗直接生成了鿬的其中一種子同位素，這證實了 2010 年實驗的一部份結果；原先的實驗在 2012 年成功得到重現。2014 年，德國亥姆霍茲重離子研究中心也宣佈成功重現該實驗。2015 年，負責檢驗超重元素合成實驗的 IUPAC/IUPAP 聯合工作小組（JWP）確認 117 號元素已被發現，命名該元素的提議權由美俄聯合科學團隊取得。鿬的發現晚於 118 號元素鿫，是截至目前為止最新發現的化學元素。其名稱得自美國田納西州。

在元素週期表中，鿬是位於 p 區的錒系後元素，為第 7 週期的倒數第二個元素，位於第 17 族、所有鹵素之下。由於相對論效應，鿬的性質很可能和鹵素有顯著地差異。科學家預計鿬會是一種揮發性金屬，既不形成陰離子，也不會產生高氧化態，但其熔點、沸點和第一游離能則預計遵從週期表的規律。

## 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

### 發現前

2004 年，位於俄羅斯莫斯科州杜布納的聯合核研究所（JINR）的一個團隊提議進行合成 117 號元素的實驗。該實驗以鈣（原子序 20）粒子束轟擊鉳目標體，從而產生核融合反應。但是，美國橡樹嶺國家實驗室是世界上唯一能夠製成鉳的實驗室，其團隊以產量不足為由未能提供這一元素。俄羅斯團隊決定轉而用鈣轟擊鉲目標體，嘗試合成鿫。

實驗需要難以取得的鉳元素，有以下的原因。要產生高能離子束，需較輕的同位素。鈣 - 48 由 20 個質子和 28 個中子組成，是具有多個過剩中子的最輕的穩定（或近穩定）同位素。下一個具有大量過剩中子的同位素為鋅 - 70，其質量比鈣高出許多。要與含有 20 個質子的鈣結合成 Ts 同位素，就需要含有 97 個質子的鉳。俄羅斯研究人員從地球上自然的鈣中提取少量的鈣 - 48，以化學方式製成了所需的鈣離子束。

合成的原子核將具有更高的質量，更加靠近所謂的穩定島，即理論預測中穩定性特別高的一組超重原子。然而到了 2013 年，質量足夠高的原子核還沒有被合成，而已經合成的同位素也比穩定島同位素具有較低的中子數。

### 發現

美國團隊在 2008 年重啟了製造鉳的計劃，並與俄羅斯團隊建立了合作關係。計劃產生了 22 微克的鉳，足以進行合成實驗。鉳樣本經 90 天冷卻後，再經 90 天的化學純化過程。這一鉳目標體必須及時送往俄羅斯，因為鉳 - 249 的半衰期只有 330 天，即鉳的量每 330 天因衰變而減半。實驗必須在目標體運輸算起的六個月之內進行，否則會因樣本量過小而無法進行。2009 年夏，目標體裝載在五個鉛製容器中，搭乘紐約至莫斯科的航班送達俄羅斯。

俄羅斯海關兩次以文件不全為由拒絕了樣本的通關，因此樣本共五次飛越大西洋，一共花費了幾天時間。到達以後，它被送往烏里揚諾夫斯克州季米特洛夫格勒，固定在鈦薄片上，然後運往杜布納，安裝在 JINR 粒子加速器上。這是世界上用於合成超重元素的最強大的粒子加速器。

實驗在 2009 年 6 月展開，直到 2010 年 1 月，弗廖洛夫核反應實驗室的科學家在內部宣佈成功探測到原子序為 117 的新元素的放射性衰變：一個奇數－奇數同位素和一個奇數－偶數同位素的共兩條衰變鏈，前者經 6 次 α 衰變後自發裂變，後者經 3 次 α 衰變後自發裂變。2010 年 4 月 9 日，團隊在《物理評論快報》上刊登了該項發現的正式報告。以上的兩條衰變鏈分別屬於 294Ts 和 293Ts 同位素，其合成反應分別為：

　
: 249 
97Bk 
  + 48 
20Ca 
  → 297 
117Ts 
\* → 294 
117Ts 
  + 3 1 
0 
n 
（1 個事件）

　
: 249 
97Bk 
  + 48 
20Ca 
  → 297 
117Ts 
\* → 293 
117Ts 
  + 4 1 
0 
n 
（5 個事件）

在 Ts 被合成之前，其所有子同位素都尚未被發現，所以這項結果不能用於向 IUPAC/IUPAP 聯合工作小組（JWP）申請證實元素的發現。Ts 的其中一個衰變產物鏌 - 289 在 2011 年被直接合成，其衰變性質與合成 Ts 時所測得的數據相符。不過當 JWP 在 2007 至 2011 年審閱各種鎶後元素的發現時，參與發現 Ts 的團隊並沒有向 JWP 提出申請。杜布納團隊在 2012 又成功重現了實驗，其結果與先前的實驗吻合。團隊其後提交了新元素發現的申請書，JWP 正在審閱這一申請。

2014 年 5 月 2 日，德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心的科學家宣佈成功證實了 Ts 的發現。他們亦因此發現了新的鐒 - 266 同位素。該同位素是𨧀-270 的 α 衰變產物（在杜布納進行的實驗中，𨧀-270 進行的是自發裂變），半衰期為 11 小時，是所有超重元素的已知同位素中壽命最長的。鐒 - 266 可能就位於穩定島的「岸邊」。

## 命名

根據德米特里・門得列夫對未發現元素的命名方法，117 號元素可稱為「eka - 砈」或「dvi - 碘」。1979 年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）發佈了有關新元素命名的建議，根據這一規則 117 號元素應稱為「Ununseptium」，符號為 Uus。在元素被發現並獲得正式永久命名之前，都會先以元素系統命名法命名。但科學家一般稱之為 117 號元素、(117) 或 117。根據 IUPAC 目前的指引，所有新 17 族元素的正式命名都要以「-ine」結尾。IUPAC 於 2016 年 6 月 8 日建議將此元素命名為 Tennessine（Ts），源於橡樹嶺國家實驗室、范德堡大學和田納西大學所在的田納西州，此名稱於 2016 年 11 月 28 日正式獲得認可。

### 中文名稱

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，將此元素命名為**鿬**（讀音同「田」）。

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「鿬」，音同「田」。

「鿬」字已於 2018 年 6 月 5 日被正式加入統一碼 11.0 中，碼位為 U+9FEC。

## 預測的性質

### 原子核穩定性及同位素

鈽 - 244 是地殼中質量最高的原始元素。對於鈽以後的元素，隨著原子序的增加，原子核的穩定性迅速下降。所有原子序超過 101（鍆）的同位素都會進行半衰期不超過一天的放射性衰變，其中𨧀-268 除外。原子序超過 82（鉛）的元素都沒有穩定的同位素，且同位素的穩定性隨著原子序的增大而逐漸降低。不過，原子序 110（鐽）至 114（鈇）的元素卻具有比預測值更高的穩定性。科學家尚未明白這一現象的原因。這一超重元素穩定性增加的現象被稱為「穩定島」，最早是由格倫・西奧多・西博格所提出的。Ts 是所有已合成元素中質量第二高的，其放射性半衰期小於 1 秒，但這仍然比發現報告中的預測值高。杜布納團隊相信，這一元素的成功合成直接證明了穩定島的存在。

根據計算，295Ts 同位素的半衰期為 18 ± 7 毫秒，而且曾用於合成 293Ts 和 294Ts 的鉳 - 鈣反應也可以用來合成 295Ts。但是這一反應產生 295Ts 的機率最多只有產生 294Ts 的七分之一。利用量子穿隧模型來進行的計算預測，有多個 Ts 的同位素都能進行半衰期長達 40 毫秒的 α 衰變，其中以 296Ts 最為顯著（此項研究到 303Ts 為止）。另一項利用液滴模型的研究得出了相似的結果，而且還發現，質量比 301Ts 高的同位素有穩定性增加的趨勢。到了 335Ts，在不考慮 β 衰變的情況下，其半衰期甚至超過了宇宙的年齡。

### 原子及物理性質

鿬屬於元素週期表中的 17 族，位於五個鹵素以下（氟、氯、溴、碘和砈）。所有鿬以上的 17 族元素都具有 7 個價電子，形成 _n_s2_n_p5 價電子組態。對於鿬，這一規律將會持續，價電子組態預計為 7s27p5，所以鿬的許多性質都會和鹵素相似。但是鿬和鹵素之間還有不少顯著的差別。其中一個最大的因素是自旋 - 軌道作用，即電子的運動與自旋之間的相互作用。這一作用在超重元素中特別強，因為它們的電子運動速度比輕元素快得多，速率與光速相當。對於 Ts，該作用降低了 7s 和 7p 電子能級，這使得這些電子更加穩定。其中兩個 7p 電子的穩定效應比其他 4 個電子更強。7s 電子的穩定效應稱為惰性電子對效應，而把 7p 支殼層拆分為較穩定和較不穩定兩個部份的效應則稱為支殼層分裂。對於計算化學家來說，這種分裂相當於第二量子數（角量子數）_l_ 從 1 變為 1/2 和 3/2，分別對應於 7p 支殼層的較穩定和較不穩定部份。鿬的價電子組態寫法可以表現出這種分裂效應：7s2 
7p2 
1/27p3 
3/2。

鿬的 6d 電子層也有分裂的現象，形成 6d3/2（4 個電子）和 6d5/2（6 個電子）支殼層。這兩個支殼層的能量都有所提升，更為接近 7s 電子層，但科學家並沒有預測任何涉及 6s 電子的化學反應。7p1/2 和 7p3/2 層之間的距離異常高，有 9.8 eV。砈的 6p 支殼層分裂只有 3.8 eV，而且其 6p1/2 化學反應已經非常有限。這些原因都導致鿬的化學性質與位於其上的同族元素不同。

鿬的第一游離能，即從原子移除一顆電子所需的能量，預測為 7.7 eV。這比上面的鹵素低，延續了週期表的趨勢。它的電子親和能將會是 17 族中最低的，預測值為 2.6 或 1.8 eV，這同樣符合規律。當鿬處於類氫原子狀態時（即只含有一顆電子），其電子的運動速度極快，相對論效應使它的質量增加至靜止電子的 1.9 倍。砈的這一數值為 1.27，而碘則是 1.08。根據相對論定律簡單地推算，可間接得出原子半徑的收縮。不過，更詳細的計算卻顯示，形成了一個共價鍵的鿬原子的半徑為 165 pm，而砈則是 147 pm。當移除了 7 顆外層電子後，鿬才比砈更小：鿬半徑變為 57 pm，砈則是 61 pm。

鿬的熔點和沸點尚未有確切的預測值。早期論文估計，熔點為 350 至 500 °C，沸點在 550 °C；另有估計熔點為 350 至 550 °C，沸點為 610 °C。這些數值都比砈高，這與週期表趨勢相符。之後的一篇論文則預計鿬的沸點為 345 °C（砈的沸點估值有 309 °C、337 °C 和 370 °C，但實驗值有 230 °C 和 411 °C）。密度預計在 7.1 和 7.3 g・cm−3 之間，這將延續鹵素密度上升的趨勢。

### 化學性質

17 族中位於鿬以上的元素通常會接受一顆電子，以達致穩定的惰性氣體電子組態。這種組態中，價電子殼層含有 8 個電子，形成具有最低能量的八隅體構造。該族元素形成八隅體的能力隨著原子序的增加而降低，因此鿬將會是 17 族中最不易接受一個電子的元素。在 Ts 預測能夠形成的氧化態中，−1 態是最不常見的。

兩個鿬原子預計會形成 Ts–Ts 鍵，與鹵素一樣形成雙原子分子。根據計算，At2 分子中的 σ 鍵具有很強的反鍵性質；而 Ts 預計會持續這一趨勢，Ts2 分子會有較強的 π 鍵性質。TsCl 分子會以單個 π 鍵鍵合。

除了不穩定的−1 態之外，預測鿬還能夠形成 + 5、+3 和 + 1 態。其中 + 1 態應該是最為穩定的，因為最外層 7p3/2 電子的去穩定作用使它形成穩定的半滿支殼層組態；砈有著類似的特性。+3 態同樣因 7p3/2 電子的去穩定作用而十分重要。根據預測，+5 態將非常罕見，因為 7p1/2 電子具有（反向）穩定作用。計算並沒有得出 + 7 態的存在。而且由於 7s 電子的穩定性很強，所以有科學家認為 Ts 的價電子核心可能只有 5 個電子。

最簡單的鿬化合物是它的氫化物 TsH。這一化合鍵是由鿬的 7p3/2 電子和氫的 1s 電子所形成的。TsH 會延續鹵素氫化物的趨勢，與砈化氫（HAt）相比，其鍵長更長，解離能也更高。然而在自旋 - 軌道作用下，TsF 分子的解離能也有所提高。這是因為這一鍵合降低了 Ts 的電負度，使它與電負度極高的氟所形成的鍵更似一個離子鍵。TsF 很可能是 17 族元素的一氟化物中鍵合最強的一個。

價層電子對互斥理論預測，17 族的三氟化物都會具有 T 形分子結構。所有已知的鹵素的三氟化物都有這種分子結構：AX 
3E 
2，即三個配位體（X）和兩個孤電子對（E）圍繞著一個中心原子（A）。如果不考慮相對論效應，TsF 
3 應該會和較輕同系物一樣具有彎曲 T 形分子結構。不過，鿬的 7s 殼層電子應該不會參與任何化學反應，所以價層電子對互斥理論所預測的是一種三方金字塔形分子結構（AX 
3E 
1）。更加細緻複雜的理論則顯示，這一分子結構並不是 TsF 
3 的最佳能量狀態。這些理論所預測的是三方平面分子結構（AX 
3E 
0）。價層電子對互斥理論有可能無法準確預測超重元素的化合物分子結構。另外，自旋 - 軌道作用大大加強了 TsF 
3 分子的穩定性。這可能是因為，鿬和氟之間電負度的巨大差異造成分子呈現一些離子的性質。

## 備註

## 參考資料

## 參考書目

## 外部連結

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