第112號元素

**鎶**（拼音：ɡē，注音：ㄍㄜ，音同「哥」；英語：**Copernicium**），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Cn**，原子序數為 112。鎶是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其最長壽的已知同位素為 285Cn，半衰期為 28 秒。鎶不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器人工合成。截至目前，科學家用不同的核反應共合成出了 75 個鎶原子。除了基礎科學研究之外，鎶沒有任何實際應用。

在元素週期表中，鎶位於 d 區，是第 7 週期、第 12 族的成員。鎶和金的化學反應顯示，它是一種極易揮發的金屬，在標準狀況下可能是揮發性液體甚至氣體，並似乎具有惰性氣體的屬性，和同族的汞相似，完全具有 12 族中的最重元素的應有屬性。

計算顯示，鎶的某些性質和第 12 族中較輕的同系物鋅、鎘和汞有較大的差異。最顯著的不同就是鎶會在失去 7s 電子層前先失去兩個 6d 層的電子。因此，根據相對論效應，鎶會是一種過渡金屬。通過計算，科學家還發現鎶能呈穩定的 + 4 氧化態，而汞則僅能在極端條件下呈 + 4 態，鋅和鎘則不能呈 + 4 態。科學家也精確地預測了鎶從游離態到化合態所需的能量。

位於德國達姆施塔特重離子研究所（GSI），由西格･霍夫曼和維克托･尼諾夫領導的研究團隊在 1996 年首次合成出鎶。其名稱得自提出日心說的波蘭天文學家尼古拉・哥白尼。

## 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

位於德國達姆施塔特重離子研究所（GSI），由西格・霍夫曼和維克托・尼諾夫領導的研究團隊在 1996 年首次合成出鎶元素。他們在重離子加速器中用高速運行的 70 鋅原子束轟擊 208 鉛目標體，獲得一顆半衰期僅為 0.24 毫秒的 277Cn 原子（另一顆被擊散）。製取該元素的核反應方程式為：

$$
\,_{30}^{70}\mathrm {Zn} +\,_{82}^{208}\mathrm {Pb} \,\to \,_{112}^{277}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{1}\mathrm {n} \;
$$

2002 年重離子研究所重複相同的實驗，再次得到一個鎶原子。2004 年，日本一家研究機構也合成出了兩個鎶原子。

### 名稱

國際純化學與應用化學聯盟（IUPAC）在經過長期驗證後，於 2009 年 6 月正式承認第 112 號元素的合成，並隨後邀請霍夫曼領導的團隊為 112 號元素提出一個永久名稱。2009 年 7 月 17 日，該團隊提議將 112 號元素命名為 _Copernicium_，縮寫 Cp，以紀念著名天文學家哥白尼（Copernicus）。他們稱，將其命名為 Cp 的原因，是由哥白尼所提出的日心說與化學中的原子結構（盧瑟福模型）有很多相似之處。

Cp 這個名稱當時未獲得 IUPAC 的正式承認。IUPAC 在此後 6 個月的時間內進行審議，聽取科學界的意見，並於 2010 年 1 月公布審議的結果。2009 年 9 月，《自然》雜誌上的一篇文章指出符號 Cp 曾用於鎦元素（**Lu**tetium）的舊稱（**C**assio**p**eium），現在在配位化學中亦用於指環戊二烯（茂，**C**yclo**p**entadiene）配位體。根據目前 IUPAC 對元素的命名規則，新元素的提議名稱是不得與其他元素名稱或符號重複的。考慮到上述情況，為了避免歧義，IUPAC 已把提議中的符號 Cp 改為 **Cn**（**C**oper**n**icium）。

2010 年 2 月 19 日，德國重離子研究所正式宣布，經國際純粹與應用化學聯合會確認，由該所人工合成的第 112 號化學元素從即日起獲正式名稱「Copernicium」，相應的元素符號為「Cn」。

在台灣，此元素之中文名稱由國立編譯館化學名詞審議委員會和中國化學會名詞委員會開會討論後決定命名為**鎶**。

中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會於 2012 年 1 月確定了鎶（讀音同「哥」）的簡體中文名稱，獲國家語言文字工作委員會批准後進入國家規範用字。

## 同位素與核特性

目前已知的鎶同位素共有 7 個，質量數分別為 277 和 281-286，此外鎶 - 285 還有已知但未確認的亞穩態。鎶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鎶 - 285，半衰期為 28 秒。除了鎶 - 285 外，其他壽命較長的同位素有鎶 - 283（半衰期 4 秒）和未經證實的鎶 - 285m（15 秒）及鎶 - 286（8.45 秒），剩下的同位素半衰期皆短於 1 秒。大多數鎶同位素主要發生 α 衰變，有些則會發生自發裂變，此外鎶 - 283 也有機率發生電子捕獲。

根據預測，更重的未發現同位素鎶 - 291 和鎶 - 293 可能具有相對極長的半衰期，長達數十年以上，因為理論上它們預計位於穩定島的中心附近，並且有機會在超新星的 R - 過程中生成，並在宇宙射線中檢測到，儘管它們的含量大約僅為鉛的 10-12 倍。

### 核合成

諸如鎶等超重元素都是在粒子加速器中用離子轟擊輕元素，誘導核融合反應而產生的。大部分鎶的同位素可用這種方式直接合成，但一些較重的則只發現於更重元素的衰變產物中。

核融合反應根據所涉及的能量被分為「熱聚變」和「冷聚變」。在熱核融合反應中，高能量的輕離子加速撞向質量高的目標體（多數用錒系元素），從而產生高激發能（約 40 至 50 MeV）的複核，並可能釋放 3 至 5 個中子。在冷聚變反應中，產生的原子核激發能（約 10 至 20 MeV）相對較低，這降低了發生裂變反應的概率。原子核冷卻到基態時，只釋放一個或兩個中子，因此產物的中子數可較高。此處所說的冷聚變反應有別於在室溫條件下發生的核融合反應（見冷聚變）。

#### 冷聚變

1996 年重離子研究所首次進行合成鎶的冷核融合反應，並報告檢測到兩個 277Cn 的衰變鏈。

$$
\,_{30}^{70}\mathrm {Zn} +\,_{82}^{208}\mathrm {Pb} \,\to \,_{112}^{277}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{1}\mathrm {n} \;
$$

2000 年，他們撤回了這項發現。在 2000 年重複進行的反應中，他們又合成了一個鎶原子。他們在 2002 年試圖測量 1n 激發能時，因 70Zn 束失敗而未能取得結果。日本理化學研究所於 2004 年證實了 277Cn 的發現。他們進一步發現了兩個 277Cn 原子，並確認了整個衰變鏈的衰變數據。

277Cn 合成成功後，重離子研究所在 1997 年使用 68Zn 進行了反應，以研究同位旋（富含中子）對化學產量的影響。

$$
\,_{30}^{68}\mathrm {Zn} +\,_{82}^{208}\mathrm {Pb} \,\to \,_{112}^{275}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{1}\mathrm {n} \;
$$

科學家發現，用 62Ni 和 64Ni 離子合成鐽同位素時能提高產量，因此開啟了這項實驗。由於沒有檢測到 275Cn 的衰變鏈，所以截面限制在 1.2 pb。

1990 年，一些初步跡象顯示，用能量為幾個 GeV 的質子照射鎢目標體後，形成了鎶的同位素。重離子研究所和耶路撒冷大學因此合作研究了下列反應。

$$
\,_{74}^{184}\mathrm {W} +\,_{38}^{88}\mathrm {Sr} \,\to \,_{112}^{271}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{1}\mathrm {n} \;
$$

他們探測到一些自發裂變活動和 12.5 MeV 能量的 α 衰變，並將兩者的源頭指向輻射俘獲產物 272Cn 或 1n 蒸發殘留物 271Cn。要證實這些結論，需要進行更多的研究。

#### 熱聚變

1998 年，俄羅斯杜布納 Flerov 核研究實驗室（FLNR）開始了一個研究項目：使用鈣 - 48 核的熱聚變反應來合成超重元素。1998 年 3 月，他們聲稱已經達到以下反應：

 $\,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} \,\to \,_{112}^{286-x}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{x}\mathrm {n} \;$ (_x_=3,4)

新合成的 283Cn 自發裂變成較輕的核種，半衰期約為 5 分鐘。

該產物的半衰期足夠長，所以科學家首次開始針對鎶進行化學氣態實驗。2000 年，杜布納的 Yuri Yukashev 重復實驗，但未能證實任何半衰期為 5 分鐘的自發裂變。2001 年重復的實驗中，自發裂變產生的八塊碎片積累於低溫部分，這表明鎶具有類似氡的屬性。不過，現在有些科學家高度懷疑這些結果的由來。為了確認鎶的合成，同一個團隊在 2003 年 1 月成功地重復了反應，證實了衰變模式和半衰期。他們還能夠計算出自發裂變活動質量的估值，約為 285。這有助證實該同位素的發現。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室團隊在 2002 年進行反應時無法檢測到任何自發裂變，計算的截面限制在 1.6 pb。

2003 至 2004 年，杜布納的團隊使用了「杜布納天然氣填充反沖分離器」（DGFRS）重復進行了反應。這一次，283Cn 以 9.53 MeV 進行 α 衰變，半衰期約為 4 分鐘。研究人員也在 4n 通道中觀察到 282Cn（釋放出 4 個中子）。

2003 年，德國重離子研究所也參與尋找長度為 5 分鐘的自發裂變活動。和杜布納團隊的結果相似，他們也能夠在低溫部分探測到七塊自發裂變碎片。然而，這些自發裂變事件之間並無關聯，因此不是鎶原子核直接自發裂變產生的。這使科學家質疑鎶的化學特性是否真的和氡相似。在杜布納團隊公佈 283Cn 的不同衰變屬性後，重離子研究所團隊在 2004 年 9 月重復進行實驗。他們無法檢測到任何自發裂變事件，並計算出檢測一個事件的截面限制，約為 1.6 pb。

2005 年 5 月，重離子研究所進行了物理實驗，探測到單個 283Cn 原子進行了短半衰期的自發裂變，這意味著存在未知的自發裂變分支。然而，杜布納一開始已觀察到數次直接的自發裂變事件，但他們假定沒有探測到母核的 α 衰變。這些結果表明實際並不存在這個母核的 α 衰變事件。

2006 年，保羅謝爾研究所和 Flerov 核研究實驗室聯合進行實驗，以研究鎶的化學性質。實驗證實了 283Cn 的新衰變數據。他們在 287Fl 的衰變產物中觀測到兩個 283Cn 原子。實驗表明，鎶具有 12 族典型的屬性，是化學性質不穩定的金屬。

重離子研究所的小組在 2007 年 1 月成功地重現了他們的物理實驗，並檢測到三個 283Cn 原子，終於確認了 283Cn 的確是經 α 衰變和自發裂變的。

長度為 5 分鐘的自發裂變活動至今尚待證實。它可能源自一種同核異構物：283bCn。其產量收到了具體生產方式的影響。

$$
\,_{92}^{233}\mathrm {U} +\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} \,\to \,_{112}^{281-x}\mathrm {Cn} +\;_{0}^{x}\mathrm {n} \;
$$

Flerov 核研究實驗室小組於 2004 年研究了這個反應。他們無法檢測到任何鎶原子，計算的截面限制為 0.6 pb。該小組認為，這表明中子質量數會影響複核的蒸發殘渣的產量。

#### 衰變產物

科學家也曾在鈇的衰變產物中觀察到鎶。鈇目前有五種已知的同位素，全都會經 α 衰變成為鎶原子，質量數介乎 281 至 285。其中質量數 281、284 和 285 的鎶同位素迄今只出現在鈇的衰變產物中。鈇本身也是鉝或鿫的衰變產物。至今已知的其他元素都不會衰變成鎶。

例如，2006 年 5 月，杜布納小組（聯合核研究所）確定 282Cn 是鿫的 α 衰變鏈的最終產物。該產物經過自發裂變成為較輕的核種。

$$
\,_{118}^{294}\mathrm {Og} \,\to \,_{116}^{290}\mathrm {Lv} +\;_{2}^{4}\mathrm {He} \;
$$

$$
\,_{116}^{290}\mathrm {Lv} \,\to \,_{114}^{286}\mathrm {Fl} +\;_{2}^{4}\mathrm {He} \;
$$

$$
\,_{114}^{286}\mathrm {Fl} \,\to \,_{112}^{282}\mathrm {Cn} +\;_{2}^{4}\mathrm {He} \;
$$

於 1999 年科學家聲稱合成了 293Og，報告指出 281Cn 以 10.68MeV 能量進行 α 衰變，半衰期為 0.9 毫秒。報告在 2001 年遭撤回。293Og 終於在 2010 年被合成，其衰變特性不符合此前的數據。

## 化學屬性

### 推算的化學屬性

#### 氧化態

鎶是 6d 系的最後一個過渡金屬，是元素週期表中 12 族最重的元素，位於鋅、鎘和汞下面。科學家預測，鎶與其他較輕的 12 族元素在屬性上有顯著差異。由於 7s 電子軌域的穩定加上相對論效應，6d 軌域較不穩定性，因此 Cn2+ 離子的電子組態很可能是 [Rn] 5f146d87s2，這和同族元素是不同的。在水溶液中，鎶很可能形成 + 2 和 + 4 氧化態，後者更穩定。在較輕的 12 族元素裏，+2 氧化態是最常見的，而只有汞能呈 + 4 氧化態，但極少見。唯一一個已知的四價汞化合物（四氟化汞，HgF4）也只能在極端條件下存在。
類似的鎶化合物 CnF4、CnO2 預計將更加穩定。雙原子離子 Hg2+ 
2 中汞具有 + 1 態，但是 Cn2+ 
2 離子預計將不穩定，甚至不存在。

### 實驗化學

#### 原子氣態

鎶有基態電子組態為 [Rn] 5f146d107s2，所以根據構造原理，鎶應該屬於週期表的 12 族。因此，它的屬性應表現為汞的較重同系物，可與金等貴金屬形成二元化合物。鎶的化學實驗主要研究鎶在不同溫度下在金箔表面的吸附作用，從而計算出吸附焓值。由於 7s 軌域電子相對穩定，鎶表現出類似氡的屬性。實驗同時形成了汞和氡的放射性同位素，這使科學家能夠比較這些元素的吸附特性。

最初的化學實驗使用了 238U(48Ca,3n)283Cn 反應。實驗檢測到目標同位素的自發裂變，半衰期為 5 分鐘。分析數據表明，鎶的揮發性比汞高，並似乎具有惰性氣體的屬性。然而，由於未能確定 283Cn 同位素的發現，因此科學家對這些化學實驗結果是持著疑問的。2006 年 4 月至 5 月，Flerov 核研究實驗室和保羅謝爾研究所的聯合團隊在聯合核研究所進行了鈇的合成實驗：242Pu(48Ca,3n)287Fl，並在衰變產物中對 283Cn 進行研究。該實驗明確探測到兩個 283Cn 原子，並發現鎶和金會產生弱金屬 - 金屬鍵。這意味著鎶是具高揮發性的汞同系物，明確屬於 12 族。

2007 年 4 月，科學家重復進行了這條反應，又合成了三個 283Cn 原子。該實驗證實了鎶的吸附特性，結果表示鎶完全具有 12 族中的最重元素的應有屬性。

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

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