鉲（英语：Californium，读音同开；港台译做鉲，读音同卡^[10][11]）是一種放射性金屬元素，符號為Cf，原子序為98。鉲屬於錒系元素，是第六種人工合成的超鈾元素。鉲是產量能以肉眼可見的元素中原子量第二高的（最高的是鑀），也是自然界能自行產生的元素中質量数最高的，所有比鉲更重的元素皆必須通過人工合成才能產生。伯克利加州大學於1950年以α粒子（氦-4離子）撞擊鋦，首次人工合成鉲元素，因此該元素是以美國加利福尼亞州及加州大學命名的。

鉲擁有三種晶體結構，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個鉲的同位素中，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（俄语：Научно-исследовательский институт атомных реакторов）合成。由於大部分鉲同位素的半衰期都很短，所以地殼中不存在大量的鉲元素。^{[注 1]}

鉲是少數具有實際用途的超鈾元素之一，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，還可以使用在中子衍射技術和中子譜學（英语：Neutron spectroscopy）中對材料進行研究。另外，鉲可用来合成质量数更高的元素，例如以鈣-48離子撞擊鉲-249可合成第118號元素Og。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，影响造血功能。

特性

物理特性

鉲是一種銀白色的錒系金屬^[12]，熔點為900 ± 30 °C，估計的沸點為1470 °C。^[13]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^[14]。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^[15]。它與鑭系元素能夠形成合金，但人們對其所知甚少^[14]。

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）^{[注 2]}，接近室温時密度為15.10 g/cm³；^[1]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/cm^3[17]。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。^{[注 3][18]}

鉲的體積模量為50 ± 5 GPa，^{[注 4]}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）。^[18]

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。^[17]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。^[20][21]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。^[17]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。^[17]

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^[21]。鉲在形成氯化物、硝酸鹽、高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。^[20]

同位素

目前已知的鉲同位素共有20個，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）。^[9]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。^[9]鉲同位素的質量數從237到256不等。^[9]

鉲-249是在錇-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錇進行強烈的中子輻射後產生的。^[21]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%。^[22]

鉲-252為強中子放射源，因此它的放射性極高，非常危險。^[23][24][25]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。^[9]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。^[26]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）。^[9]

歷史

1950年2月9日前後，物理學家斯坦利·G·湯普森（英语：Stanley Gerald Thompson）（Stanley Gerald Thompson）、小肯尼斯·史翠特（英语：Kenneth Street, Jr.）（Kenneth Street, Jr.）、阿伯特·吉奥索及格倫·西奧多·西博格在伯克利加州大學首次發現了鉲元素。^[27]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。^[28][29][30]

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）。^[27]

242
96Cm + 4
2He → 245
98Cf + 1
0n

這次實驗只產生了大約5千個鉲原子，^[31]這些原子的半衰期為44分鐘。^[27]

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號元素是利用類似於對上的元素之命名方式而命名的。^{[32][注 6]}但是，位於98號元素以上的鏑（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。^[34]

愛達荷國家實驗室（英语：Idaho National Laboratory）通過對鈈目標體進行輻射，首次產生了重量可觀的鉲元素，並於1954年發佈了研究結果。^[35]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。^[27]在對鈈-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。^[12]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。^[36]

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（英语：High Flux Isotope Reactor）（HFIR）產生了少量的鉲。^[37]到1995年為止，HFIR的實際鉲年產量為500毫克。^[38]在《1958英美共同防禦協約（英语：1958 US-UK Mutual Defence Agreement）》下英國向美國提供的鈈元素曾用於製造鉲。^[39]

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^[26]，從1970至1990年每年一共售出150微克鉲-252。^{[40][注 7]}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。^{[41][42][注 8]}

存量

地球上有著極少量的鉲，主要出現在含鈾量很高的鈾礦中。鈾在捕獲中子之後進行β衰變，從而形成鉲。^[44][45]在使用鉲進行探礦或醫學治療的設施附近也可以發現鉲。^[46]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。^[44]

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。^[44]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。^[47]

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。^[48]不過，之後的研究未能探測到鉲譜線，^[49]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。^[50]

產生

鉲可以在核反應爐和粒子加速器中產生。^[51]錇-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：^[52]

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。^[52]

對鎇、鋦和鈈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。^[53]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。^[54]

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。^[51]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。^[55]

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，期間不進行核裂變或α衰變。^[55]從鈾-238開始的核反應鏈經過幾個鈈同位素、鎇同位素、鋦同位素、錇同位素以及鉲-249至253（見圖）。

應用

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。^[26]因此鉲可以被用作核反應爐的中子啟動源（英语：neutron startup source）^[17]或在中子活化分析中作為（非來自反應爐的）中子源。^{[58][注 9]}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。^[17]自從1969年薩瓦那河發電廠（英语：Savannah River Plant）（Savannah River Plant）向佐治亞理工學院借出119 µg的鉲-252之後，鉲一直用於教育。^[60]在煤炭、水泥產業中，鉲也被應用在煤元素分析和粒狀物質分析機上^{[來源請求]}。

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，^[17]使用中子射線照相術（英语：neutron radiography）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，^[61]以及便攜式金屬探測器等。^[62]中子濕度計（英语：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，^[21]以及探測地下水的流動。^[63]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%）。^[64]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。^[64]

鉲-251的臨界質量很低（約為5 kg），^[65]但人們也曾低估其臨界質量，^[66]并誇大其臨界質量較低的特性的潛在用途。^{[注 10]}

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。^[68][69][70] 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。^[71]

安全

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。^[72]由於放射性極強，在環境中的存量極低，所以鉲在生物體中沒有任何自然的用途。^[46]

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。^[44]

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。鉲所釋放的電離輻射在骨骼和肝臟中可致癌。^[44]

註释

参考文献

引用

書籍

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外部連結

• NuclearWeaponArchive.org – Californium（鉲在核武器檔案網上的資料）（英文）
• Hazardous Substances Databank – Californium, Radioactive（鉲在有害物質資料庫上的資料）（英文）