锎元素

**鉲**（英語：**Californium**；中國大陸譯為**锎**、港澳譯為**鐦**【拼音：kāi，注音：ㄎㄞ，音同「開」】，台灣譯為**鉲** /**𰽩**【拼音：kǎ，注音：ㄎㄚˇ，音同「卡」】），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為 **Cf**，原子序數為 98。鉲屬於錒系元素，是第六種人工合成的超鈾元素，具強放射性。伯克利加州大學於 1950 年以 α 粒子撞擊鋦，首次人工合成出鉲元素，因此該元素是以美國加利福尼亞州（California）及加州大學命名的。

鉲的外觀為銀白色金屬，擁有三種晶體結構，分別存在於正常氣壓 900 °C 以下、正常氣壓 900 °C 以上與高壓下（48 GPa）。在室溫下，鉲金屬塊會在空氣中緩慢地失去光澤。鉲的化合物主要由能夠形成 3 個化學鍵的鉲 (III) 形成。目前已知的 20 種鉲的同位素中，鉲 - 251 是最為穩定的，其半衰期為 898 年，而鉲 - 252 是最常被使用的同位素，半衰期約為 2.64 年，該同位素主要在美國的橡樹嶺國家實驗室及俄羅斯的核反應器研究所（俄語：Научно-исследовательский институт атомных реакторов）合成。

鉲是少數具有實際用途的超鈾元素之一，也是最後一種除了科學研究外有實際應用的元素，所有原子序高於鉲的元素由於半衰期普遍較短，且生產難度大得多，產量也十分稀少，而都沒有實際的用途。利用某些鉲同位素是強中子射源的特性，鉲能夠用於啟動核反應爐，還可以使用在中子繞射技術和中子譜學中對材料進行研究。另外，鉲可用來合成質量數更高的元素，例如 118 號元素鿫是以鈣 - 48 離子撞擊鉲 - 249 合成的。但在處理鉲的時候，也因此必須考慮到放射性的問題。當鉲累積在動物的骨骼組織時，將破壞紅血球的形成，影響造血功能。

## 歷史

1950 年 2 月 9 日前後，物理學家斯坦利・G・湯普森（Stanley Gerald Thompson）、小肯尼斯・史翠特、阿伯特・吉奧索及格倫・西奧多・西博格在伯克利加州大學首次發現了鉲元素。鉲是第六個被發現的超鈾元素。研究小組在 1950 年 3 月 17 日發佈了該項發現。

美國加州伯克利的 1.5 米直徑迴旋加速器將 α 粒子（4 
2He 
）加速至 35 MeV 能量，射向一微克大小的鋦 - 242 目標，以此產生了鉲 - 245（245 
98Cf 
）和一顆自由中子（ 
n 
）。

　
: 242 
96Cm 
  + 4 
2He 
  → 245 
98Cf 
  + 1 
0 
n

這次實驗只產生了大約 5 千個鉲原子，這些原子的半衰期為 44 分鐘。

該新元素以加州和加州大學命名，這和 95 至 97 號元素的命名方式有所不同。第 95 至 97 號錒系元素是利用類似於其上方的鑭系元素之命名方式而命名的。但是，位於 98 號元素之上的鏑（Dysprosium）名稱原意為「難取得」，所以研究人員決定打破此前的非正式命名規則。

海峽兩岸對此元素的漢字命名均遵從音譯原則。1951 年，中國大陸《化學命名原則》修訂時新增這一元素，並將其訂名為「鐦」，後《簡化字總表》將其簡化為「锎」，而非按照類推簡化原則作「钘」，以防與表示酒器的「鈃」相混淆。台灣則將其訂名為「鉲」。

愛達荷國家實驗室通過對鈽目標體進行輻射，首次產生了重量可觀的鉲元素，並於 1954 年發佈了研究結果。產生的樣本中能夠觀察到鉲 - 252 的高自發裂變率。1958 年，科學家首次對濃縮鉲進行了實驗。在對鈽 - 239 進行中子輻射連續 5 年之後，科學家在樣本中發現了從鉲 - 249 到鉲 - 252 的各個同位素。兩年後的 1960 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的伯里斯・坎寧安（Burris Cunningham）和詹姆斯・沃爾曼（James Wallman）把鉲置於蒸汽與鹽酸中，第一次製成了鉲的化合物 —— 三氯化鉲、氯氧化鉲及氧化鉲。

1960 年代，位於美國田納西州橡樹嶺的橡樹嶺國家實驗室利用其高通率同位素反應爐（HFIR）產生了少量的鉲。到 1995 年為止，HFIR 的實際鉲年產量為 500 毫克。在《1958 英美共同防禦協約》下英國向美國提供的鈽元素曾用於製造鉲。

美國原子能協會在 1970 年代初起向工業及學術機構銷售鉲 - 252 同位素，每微克價格為 10 美元，從 1970 至 1990 年每年一共售出 150 微克鉲 - 252。Haire 和 Baybarz 於 1974 年用鑭金屬還原了氧化鉲 (III)，首次製成數微克重、厚度小於 1 微米的鉲金屬薄片。

## 特性

### 物理特性

鉲是一種銀白色的錒系金屬，熔點為 900 ± 30 °C，估計的沸點為 1470 °C。處於純金屬態時，鉲是具延展性的，可以用刀片輕易切開。在真空狀態下的鉲金屬到了 300 °C 以上時便會氣化。在 51 K（−220 °C）以下的鉲金屬具鐵磁性或亞鐵磁性，在 48 至 66 K 時具反鐵磁性，而在 160 K（−110 °C）以上時具順磁性。它與鑭系元素能夠形成合金，但人們對其所知甚少。

在一個大氣壓力下，鉲有兩種晶體結構：在 900 °C 以下為雙層六方密排結構（稱 α 型），接近室溫時密度為 15.10 g/cm3；而另一種面心立方結構（β 型）則在 900 °C 以上出現，密度為 8.74 g/cm3。在 48 GPa 的壓力下，鉲的晶體結構會由 β 型轉變為第三種正交晶系結構。這是由於鉲原子中的 5f 電子在此壓力下會變成離域電子，這些自由電子夠參與鍵結的形成。

鉲的體積模量為 50 ± 5 GPa，這與三價的鑭系金屬相似，但比一些常見的金屬低（如鋁：70 GPa）。

### 化學特性及化合物

鉲的化合價可以是 4、3 或 2，也就是說一個鉲原子能夠形成 2 至 4 個化學鍵。其化學屬性預計將會類似於別的三價錒系元素，以及在元素週期表中位於鉲以上的鏑。鉲在室溫下會在空氣中緩慢地失去光澤，速度隨著濕度的提高而加快。鉲可以和氫、氮和任何氧族元素加熱進行反應，其中與不含濕氣的氫或與水溶無機酸反應的速度極快。

鉲只有在處於鉲 (III) 正離子狀態才具有水溶性。科學家目前仍未能還原或氧化溶液中的 + 3 離子。鉲在形成氯化物、硝酸鹽、過氯酸鹽及硫酸鹽時易溶於水；形成氟化物、草酸鹽或氫氧化物時則會沉澱。

### 同位素

目前已知的鉲同位素共有 20 個，質量數從 237 到 256 不等，都是放射性同位素。其中最穩定的有鉲 - 251（半衰期為 898 年）、鉲 - 249（351 年）、鉲 - 250（13.08 年）及鉲 - 252（2.645 年）。其餘的同位素半衰期都在一年以下，大部份甚至少於 20 分鐘。

鉲 - 249 是在鉳 - 249 進行 β 衰變後形成的。大部分其他的鉲同位素是在核反應爐中對鉳進行強烈的中子輻射後產生的。雖然鉲 - 251 的半衰期最長，但是由於容易吸收中子（高中子捕獲率）以及會與其它粒子產生反應（高中子截面），所以其產量只有 10%。

鉲 - 252 為強中子放射源，因此它的放射性極高，非常危險。鉲 - 252 有 96.9% 的機率進行 α 衰變（損失兩顆質子和兩顆中子），並形成鋦 - 248，剩餘的 3.1% 機率進行自發裂變。一微克（µg）的鉲 - 252 每秒釋放 230 萬顆中子，平均每次自發裂變釋放 3.7 顆中子。其他大部份的鉲同位素都以 α 衰變形成鋦的同位素（原子序為 96）。

## 存量

由於所有鉲同位素的半衰期都在 898 年以下，遠遠不足以從地球形成時（數十億年前）存留至今。因此所有的原始的鉲元素（地球形成時存在的鉲）至今都已衰變殆盡了。

在使用鉲進行探礦或醫學治療的設施附近可以發現痕量的鉲。鉲不易溶於水，但會黏附在泥土上，所以泥土中鉲的濃度可以比泥土粒子周圍的水高出 500 倍。

1980 年之前大氣層核試驗的輻射落塵散落在環境中，其中含有少量的鉲。從空氣中採得的核爆輻射落塵中曾被發現含有質量數為 249、252、253 和 254 的鉲同位素。

科學家曾認為超新星會產生鉲，因為超新星物質的衰變符合 254Cf 的 60 天半衰期。不過，之後的研究未能探測到鉲譜線，現在人們也一般認為超新星的光變曲線是符合鎳 - 56 的特徵的。

含鈾量極高的礦藏中，重元素經中子捕獲和 β 衰變之後，可能會自然產生痕量的鉲，儘管這一點尚未得到證實。從 95 號鋂至 100 號鐨的超鈾元素，包括鉲，都曾在位於加彭奧克洛的天然核反應爐中自然產生，但至今已不再形成了。

## 合成

鉲可以在核反應爐和粒子加速器中產生。鉳 - 249（249 
97Bk 
）受中子撞擊（中子捕獲 (n,γ)）後立即進行 β 衰變（β−），便會形成鉲 - 250（250 
98Cf 
）。反應如下：

　
: 249 
97Bk 
(n,γ)250 
97Bk 
  → 250 
98Cf 
  + β−

鉲 - 250 在受中子撞擊後會產生鉲 - 251 和鉲 - 252。

對鋂、鋦和鈽元素進行中子輻射可以製成數毫克的鉲 - 252 和數微克的鉲 - 249。直到 2006 年，科學家利用特殊的反應爐對鋦 - 244 至 248 進行中子輻射，主要產生出鉲 - 252，另有較少的鉲 - 249 至 255。

經過美國核能管理委員會可以購得微克量的鉲 - 252 作商業用途。世界上僅有兩處生產鉲的設施：位於美國的橡樹嶺國家實驗室以及位於俄羅斯的核反應器研究所。到 2003 年為止，兩座設施分別每年生產 0.25 克和 0.025 克的鉲 - 252。

設施還生產三個半衰期頗長的鉲同位素，這需要鈾 - 238 捕獲中子 15 次，期間不進行核分裂或 α 衰變。從鈾 - 238 開始的核反應鏈經過幾個鈽同位素、鋂同位素、鋦同位素、鉳同位素以及鉲 - 249 至 253（見圖）。

## 應用

鉲是目前在科學研究之外有實際用途的最重元素。鑀及以上的元素由於半衰期太短，生產難度大，因此只能在實驗室中用於合成更重的元素。

鉲 - 252 為一種強中子射源，有著幾個應用的範疇。每微克的鉲每分鐘能夠產生 1.39 億顆中子。因此鉲可以被用作核反應爐的中子啟動源或在中子活化分析中作為（非來自反應爐的）中子源。在放射治療無效時，子宮頸癌和腦癌的治療目前用到了鉲所產生的中子。自從 1969 年薩瓦那河發電廠（Savannah River Plant）向喬治亞理工學院借出 119 µg 的鉲 - 252 之後，鉲一直用於教育。

由於中子能夠穿透物質，所以鉲也可以用在探測器中，如燃料棒掃描儀，使用中子射線照相術來探測飛機和武器部件的腐蝕、問題焊接點、破裂及內部濕氣，以及便攜式金屬探測器等。中子濕度計利用鉲 - 252 來尋找油井中的水和石油，為金銀礦的實地探測提供中子源，以及探測地下水的流動。1982 年鉲 - 252 的主要用途按用量比例分別為：反應爐啟動源（48.3%）、燃料棒掃描儀（25.3%）及活化分析（19.4%）。到了 1994 年，大部份的鉲 - 252 都用於中子射線照相（77.4%），而燃料棒掃描儀（12.1%）和反應爐啟動源（6.9%）則成了次要的應用範圍。

鉲 - 251 的臨界質量很低（約為 5 kg），但人們也曾低估其臨界質量，並誇大其臨界質量較低的特性的潛在用途。

2006 年 10 月，位於俄羅斯杜布納的聯合核研究所研究人員宣佈成功合成 3 顆 Og（118 號元素）原子。他們利用鈣 - 48 撞擊鉲 - 249，產生了這個目前最重的元素。該次實驗的目標體是一片面積為 32 cm2、含有 10 mg 鉲 - 249 的鈦薄片。其它用到鉲來合成的超鈾元素還包括 1961 年以硼原子核撞擊鉲所形成的鐒元素。

## 安全

如同其他鑭系及錒系元素，鉲在生物體中不發揮任何生物學功用。累積在骨骼組織裏的鉲會釋放輻射，破壞身體製造紅血球的能力。由於放射性很強，鉲對生物體有著極高的毒性。

在進食受鉲污染的食物或飲料，或吸入含有鉲的懸浮顆粒之後，鉲就會進入體內。在身體裏，只有 0.05% 的鉲會進入血液裏，其中的 65% 會積累在骨骼中，肝臟 25%，其餘的主要通過排尿排出身體。骨骼和肝臟中積累的鉲分別會在 50 年和 20 年後消失。鉲會首先附在骨骼的表面，之後會慢慢蔓延到骨骼的各個部分。

一旦進入體內，鉲會造成很大的損害。另外，鉲 - 249 和鉲 - 251 能釋放伽瑪射線，對外表組織造成傷害。鉲所釋放的游離輻射在骨骼和肝臟中可致癌。

## 註釋

## 參考文獻

### 引用

### 書籍

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## 外部連結

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* EnvironmentalChemistry.com —— 鉲（英文）
* 元素鉲在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鉲在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鉲（英文）
* NuclearWeaponArchive.org – Californium（鉲在核武器檔案網上的資料）（英文）
* Hazardous Substances Databank – Californium, Radioactive （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（鉲在有害物質資料庫上的資料）（英文）