鎶（Copernicium）是一種超重元素，化學符號是Cn，原子序是112。鎶會通过α衰变成为²⁷³Ds，半衰期最长的鎶同位素为²⁸⁵Cn，有29秒。位於德国达姆施塔特重离子研究所（GSI），由西格･霍夫曼（英语：Sigurd Hofmann）和维克托･尼诺夫（英语：Victor Ninov）领导的研究团队在1996年首次合成出鎶。

在元素周期表中，鎶属于d区元素，同时也是超锕系元素。鎶和金的化学反应显示，它是一种易挥发的金属。计算显示，鎶与比它轻的同族元素有较大的差异。最显著的不同就是鎶會在失去7s電子層前先失去两个6d层的电子。因此，根据相对论效应，鎶會是一种过渡金属。通过计算，科学家还发现Cn能呈稳定的+4氧化态，而汞則仅能在极端条件下呈+4态，锌和镉则不能呈+4态。科學家也精確地預測了鎶从游离态到化合态所需的能量。

鎶只能在實驗室中經人工合成，截至目前，科学家用不同的核反应合成了75个鎶原子。

历史

发现

位於德国达姆施塔特重离子研究所（GSI），由西格·霍夫曼和维克托·尼诺夫领导的研究团队在1996年首次合成出鎶元素。他们在重离子加速器中用高速运行的⁷⁰锌原子束轰击²⁰⁸铅目標體，获得一颗半衰期仅为0.24毫秒的²⁷⁷Cn原子（另一颗被击散）。制取该元素的核反应方程式为：

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

2002年重离子研究所重复相同的实验，再次得到一个鎶原子。2004年，日本一家研究机构也合成出了两个鎶原子^[7]。

名称

国际纯化学与应用化学联盟（IUPAC）在经过长期验证后，于2009年6月正式承认第112号元素的合成，并随后邀请霍夫曼領導的团队为112号元素提出一个永久名称。2009年7月17日，该团队提议将112号元素命名为Copernicium，缩写Cp，以纪念著名天文学家哥白尼（Copernicus）。他们称，将其命名为Cp的原因，是由哥白尼所提出的日心说与化学中的原子结构（卢瑟福模型）有很多相似之处。

Cp这个名称當時未获得IUPAC的正式承认。IUPAC在此后6个月的时间内进行审议，听取科学界的意见，并于2010年1月公布审议的结果。^[8]2009年9月，《自然》雜誌上的一篇文章^[9]指出符号Cp曾用於镥元素（Lutetium）的旧称（Cassiopeium），现在在配位化学中亦用于指环戊二烯（茂，Cyclopentadiene）配位体。根据目前IUPAC对元素的命名规则，新元素的提议名称是不得与其他元素名称或符号重复的。考虑到上述情况，为了避免歧义，IUPAC已把提议中的符号Cp改为Cn（Copernicium）。^[10]

2010年2月19日，德国重离子研究所正式宣布，经国际纯粹与应用化学联合会确认，由该所人工合成的第112号化学元素从即日起获正式名称“Copernicium”，相应的元素符号为“Cn”。^[11]

在台湾，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^[12]。

中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会于2012年1月确定了鎶的简体中文名称，获国家语言文字工作委员会批准后进入国家规范用字。

核合成

如鎶元素等超重元素都是在粒子加速器中用離子轟擊輕元素，誘導核聚變反應而產生的。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。^[13]

核聚變反應根據所涉及的能量被分為“熱聚變”和“冷聚變”。在熱核聚變反應中，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。^[13]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。^[14]此處所說的冷聚變反應有別於在室溫條件下發生的核聚變反應（見冷聚變）。^[15]

冷聚變

1996年重离子研究所首次進行合成鎶的冷核聚變反應，并報告檢測到兩個²⁷⁷Cn的衰變鏈。

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

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，重离子研究所在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。

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

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。重离子研究所和耶路撒冷大學因此合作研究了下列反應。

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

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：

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

新合成的²⁸³Cn自發裂變成較輕的核素，半衰期約為5分鐘。^[16]

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。^[17]

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。^[18]

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）。^[19]

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。^[20]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。^[21]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。^[22]

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體：^283bCn。其產量收到了具體生產方式的影響。

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

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Fl的衰變產物中觀察到鎶。Fl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Fl的衰變產物中。Fl本身也是Lv或Uuo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Uuo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素。^[24]

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

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

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

於1999年科學家聲稱合成了²⁹³Uuo，報告指出²⁸¹Cn以10.68MeV能量進行α衰變，半衰期為0.9毫秒。^[28]報告在2001年遭撤回。²⁹³Uuo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⁺離子的電子排布很可能是[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。^[29] 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。^[30]

實驗化學

原子氣態

鎶有基態電子排布為[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Fl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。^[2]

參考資料