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锎(化学元素)

锎(英语:Californium)是一种放射性金属元素,符号为Cf,原子序为98。锎属于锕系元素,是第六个被人工合成出来的超铀元素,自然界能自行产生的元素中质量最高的,所有比锎更重的元素皆必须通过人工合成才能产生。伯克利加州大学于1950年以α粒子(氦-4离子)撞击锔,首次人工合成锎元素,因此该元素是以美国加利福尼亚州及加州大学命名的。

(台湾、香港、澳门称)是一种人工合成的放射性化学元素,它的化学符号是Cf,它的原子序数是98,属于锕系元素之一。

1950年2月9日前后 ,物理学家Stanley G. Thompson、Kenneth Street, Jr.、阿伯特吉奥索及格伦西奥多西博格在伯克利加州大学首次发现了锎元素。锎是第六个被发现的超铀元素。研究小组在1950年3月17日发布了该项发现。锎的拼音名称是以美国的加利福尼亚州命名。该地是加利福尼亚大学柏克莱分校的所在州份

美国加州伯克利的1.5米直径回旋加速器将α粒子(42He)加速至35 MeV能量,射向一微克大小的锔-242目标,以此产生了锎-245(24598Cf)和一颗自由中子(n)。

此次实验只产生了大约5千颗锎原子,半衰期为44分钟。

该新元素以加州和加州大学命名。这和95至97号元素的命名方式有所不同。第95至97号元素是利用类似于对上的元素之命名方式而命名的。但是,98号元素以上的镝(Dysprosium)的意思是“难取得”,所以研究人员决定打破此前的非正式命名常规。

爱达荷国家实验室通过对钚目标体进行辐射,首次产生了重量可观的锎元素,并于1954年发布了研究结果。产生的样本中能够观察到锎-252的高自发裂变率。1958年,科学家首次对浓缩锎进行了实验。在对钚-239进行中子辐射连续5年之后,科学家在样本中发现了从锎-249到锎-252的各个同位素。两年后的1960年,劳伦斯伯克利国家实验室的Burris Cunningham和James Wallman把锎置于蒸汽与盐酸中,第一次制成了锎的化合物三氯化锎、氯氧化锎及氧化锎。

1960年代,位于美国田纳西州橡树岭的橡树岭国家实验室利用其高通率同位素反应炉(HFIR)产生了少量的锎。到1995年为止,HFIR的实际锎年产量为500毫克。在《英美共同防御协约》下英国向美国提供的钚元素曾用于制造锎。

美国原子能协会在1970年代初起向工业及学术机构销售锎-252同位素,每微克价格为10美元,从1970至1990年每年一共售出150微克锎-252。Haire和Baybarz于1974年用镧金属还原了氧化锎(III),首次制成数微克重、厚度小于1微米的锎金属薄片。

地球上有着极少量的锎,主要出现在含铀量很高的铀矿中。铀在捕获中子之后

进行β衰变,从而形成锎。在使用锎进行探矿或医学治疗的设施附近也可以发现锎。锎不易溶于水,但会黏附在泥土上,所以泥土中锎的浓度可以比泥土粒子周围的水高出500倍。

1980年之前大气层核试验的辐射落尘散落在环境中,其中含有少量的锎。从空气中采得的核爆辐射落尘中曾被发现含有质量数为249、252、253和254的锎同位素。

科学家曾认为超新星会产生锎,因为超新星物质的衰变符合Cf的60天半衰期。不过,之后的研究未能探测到锎谱线,人们也一般认为超新星的光变曲线是符合镍-56的特征的。

同位素:同位素有245Cf到254Cf。最稳定的同位素是251Cf,半衰期是898年。

发现:1950年3月17日,美国的汤普森(S.G.Thompson)、小斯特里特(K.Street Jr.)、乔索(A.Chiorso)和西博格(G.T.Seaporg)发现了锎。用回旋加速器加速的氦离子轰击242Cm,几乎和锫同时发现。

性质:熔点900℃。金属锎十分容易挥发,在1100~1200℃范围中能蒸馏出来。化学性质活泼,与其他+3价锕系元素相似。有水溶性的硝酸盐、硫酸盐、氯化物和过氯酸盐;它的氟化物、草酸盐、氢氧化物在水溶液中沉淀。利用耙子同位素和轰击粒子的种种组合,已发现了几种锎的同位素:246Cf、249Cf、251Cf、252Cf、254Cf等。251Cf半衰期为900年;249Cf半衰期为360年;252Cf半衰期为2.64年;254Cf半衰期为64天 。

由氦同位素轰击锔可得到微量的锎。锎的同位素有从237Cf到256Cf。锎-251是最稳定的同位素,它的半衰期有898年。

虽然锎-251是最稳定的同位素,但是最有商业价值的却是锎-252。锎-252大部分都是用来检测飞机行李内是否有爆裂物存在。

锎是一种银白色的锕系金属,熔点为900 ± 30 °C,估计的沸点为1745 °C。处于纯金属态时,锎是具延展性的,可以用刀片轻易切开。在真空状态下的锎金属到了300 °C以上时便会气化。在51K(三20 °C)以下的锎金属具铁磁性或亚铁磁性,在48至66 K时具反铁磁性,而在160 K(ㄢ10 °C)以上时具顺磁性。它与镧系元素能够形成合金,但人们对其所知甚少。

在一个大气压力下,锎有两种晶体结构:在900 °C以下为双层六方密排结构(称α型),此时密度为15.10 g/cm;而另一种面心立方结构(β型)则在900 °C以上出现,密度为8.74 g/cm。在48GPa的压力下,锎的晶体结构会由β型转变为第三种正交晶系结构。这是由于锎原子中的5f电子在此压力下会变成离域电子,这些自由电子够参与键结的形成。

物质的体积模量指的是该物质抗衡均匀压力的强度。锎的体积模量为50 ± 5 GPa,这与三价的镧系金属相似,但比一些常见的金属低(如铝:70 GPa)。

电子构型:1s2 2s2p6 3s23p63d10 4s24p64d104f14 5s25p65d105f10 6s26p6 7s2

同位素及放射线: Cf-245[44m] Cf-246[1.5d] Cf-247[3.1h] Cf-248[334d] Cf-249[351y] Cf-250[13y] Cf-251(放 α[900y]) Cf-252[2.6y] Cf-253[17.8d] Cf-254[60.5d]

外围电子层排布:5f10 7s2

晶体数据:

晶胞为六方晶胞

晶胞参数:

a = 338 pm

b = 338 pm

c = 1102.5 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 120°

地质数据:

滞留时间/年:

丰 度

太阳(相对于 H=1×1012): 未知

海水中/p.p.m.:零

地壳/p.p.m.: 零

大气/p.p.m.(体积):

大西洋表面:

太平洋表面:

大西洋深处:

太平洋深处:

肝/p.p.m.:

器官中: 零

肌肉/p.p.m.:

血/mg dm-3 :

日摄入量/mg: 零

骨/p.p.m.:

人(70Kg)均体内总量/mg: 零

氧化态

化合物

公式

颜色

+2

二溴化锎

CfBr2

黄色

+2

二碘化锎

CfI2

深紫色

+3

三氧化二锎

Cf2O3

黄绿色

+3

三氟化锎

CfF3

鲜绿色

+3

三氯化锎

CfCl3

翠绿色

+3

三碘化锎

CfI3

柠檬色

+4

二氧化锎

CfO2

棕黑色

+4

四氟化锎

CfF4

绿色

可以是4、3或2,也就是说一个锎原子能够形成2至4个化学键。其化学属性预计将会类似于别的三价锕系元素,以及在元素周期表中位于锎以上的镝。锎在室温下会在空气中缓慢地失去光泽,速度随着湿度的提高而加快。锎可以和氢、氮和任何氧族元素加热进行反应,其中与不含湿气的氢或与水溶无机酸反应的速度极快 。

处于锎(III)正离子状态。科学家未能还原或氧化溶液中的+3离子。锎能够形成能溶于水的氯化物、硝酸盐、高氯酸盐及硫酸盐,沉淀后形成氟化物、草酸盐或氢氧化物。

已知的锎同位素共有20个,有246Cf、249Cf、251Cf、252Cf、254Cf等, 都是放射性同位素。其中最稳定的有锎-251(半衰期为900年 )、锎-249(360年 )、锎-250(13.08年)及锎-252(2.645年 )。其余的同位素半衰期都在一年以下,如锎-254半衰期为64天, 大部分甚至少于20分钟。锎同位素的质量数从237到256不等。

锎-249是在锫-249进行β衰变后形成的。大部分其他的锎同位素是在核反应炉中对锫进行强烈的中子辐射后产生的。虽然锎-251的半衰期最长,但是由于容易吸收中子(高中子捕获率)以及会与其他粒子产生反应(高中子截面),所以其产量只有10%。

锎-252是个强中子射源,因此其放射性极高,非常危险。锎-252有96.9%的概率进行α衰变(损失两颗质子和两颗中子),并形成锔-248,剩余的3.1%概率进行自发裂变。一微克(最)的锎-252每秒释放230万颗中子,平均每次自发裂变释放3.7颗中子。其他大部分的锎同位素都以α衰变形成锔的同位素(原子序为96)。

用氦离子轰击锔而得。

锎可以在核反应炉和粒子加速器中产生。锫-249(24997Bk)受中子撞击(中子捕获(n,γ))后立即进行β衰变(β),便会形成锎-250(25098Cf)。反应如下:

锎-250在受中子撞击后会产生锎-251和锎-252。

对镅、锔和钚元素进行中子辐射可以制成数毫克的锎-252和数微克的锎-249。直到2006年,科学家利用特殊的反应炉对锔-244至248进行中子辐射,主要产生出锎-252,另有较少的锎-249至255。

经过美国核能管理委员会可以购得微克量的锎-252作商业用途。世界上仅有两处生产锎的设施:位于美国的橡树岭国家实验室以及位于俄罗斯的核反应器研究所。到2003年为止,两座设施分别每年生产0.25克和0.025克的锎-252。

设施还生产三个半衰期颇长的锎同位素,这需要铀-238捕获中子15次,期间不进行核裂变或α衰变。从铀-238开始的核反应链经过几个钚同位素、镅同位素、锔同位素、锫同位素以及锎-249至253。

可用作高通量的中子源。

能够利用的锎的数量非常少,使其应用受到了限制,可是,它作为裂解碎片源,被用于核研究 。

该元素是世界上最昂贵的元素,1克价值2700万美元, 是金子的65万倍 。

可用作高通量的中子源。 在核医学领域可用来治疗恶性肿瘤。由于锎-252中子源可以做得很小很细,这是其它中子源所做不到的,所以把中子源经过软管送到人体腔内器官肿瘤部位,或者植入到人体的肿瘤组织内进行治疗。特别是对子宫癌、口腔癌、直肠癌、食道癌、胃癌、鼻腔癌等,锎-252中子治疗都有相当好的疗效 。

中国生产和应用锎-252中子源始于20世纪90年代。锎是一种人造元素,其同位素锎-252被用于近距离治疗。这种同位素首次发现于氢弹爆炸后的尘埃,是能够产生丰富中子的唯一核素。1968年医用锎源被用来治疗首例病人,中子近距离治疗法由此诞生。中子治癌是最先进的癌症治疗方法之一,治疗效果优于当前被广泛使用的放疗。它无须让病人全身接受放射性射线,而是利用特制的施源器将中子源送入人体或肿瘤内进行腔内、管内或组织间照射,放射反应轻且能够彻底杀死癌细胞 。

中子刀是锎-252中子源自动遥控式后装治疗系统,是一种放射治疗,融核物理学、放射生物学、自动控制、计算机等多门学科为一体的先进医疗设备、以治疗人体腔道或管道内肿瘤为主的大型现代化高科技放射治疗设备。具有世界领先水平,中子刀填补了中国乃至世界治癌领域的一项空白。

橡树岭国家实验室建造的50吨重运输桶,可用于运载最多1克的Cf。运输此类高放射性物质必须用到重型容器,以避免可能的意外。

锎-252作为一种强中子射源,有着几个应用的范畴。每微克的锎每分钟能够产生1.39亿颗中子。因此锎可以被用作核反应炉的中子启动源或在中子活化分析中作为(非来自反应炉的)中子源。在放射治疗无效时,子宫颈癌和脑癌的治疗用到了锎所产生的中子。自从1969年萨瓦那河发电厂向佐治亚理工学院借出119 最锎-252之后,锎一直被用于教育范畴上。在煤炭、水泥产业中,锎也被应用在煤元素分析和粒状物质分析机上。

由于中子能够穿透物质,所以锎也可以被用在探测器中,如燃料棒扫描仪,使用中子射线照相术来探测飞机和武器部件的腐蚀、问题焊接点、破裂及内部湿气,以及便携式金属探测器等。中子湿度计利用锎-252来寻找油井中的水和石油,为金银矿的实地探测提供中子源,以及探测地下水的流动。1982年锎-252的主要用途按用量比例分别为:反应炉启动源(48.3%)、燃料棒扫描仪(25.3%)及活化分析(19.4%)。到了1994年,大部分的锎-252都用于中子射线照相(77.4%),而燃料棒扫描仪(12.1%)和反应炉启动源(6.9%)则成了次要的应用范围。

锎-251的临界质量很低(约为5 kg)。人们曾夸大其低临界质量的可能用途。

2006年10月,位于俄罗斯杜布纳联合核研究所的研究人员宣布成功合成3颗Uuo(118号元素)原子。他们利用钙-48撞击锎-249,产生了这个目前最重的元素。该次实验的目标体是一片面积为32 cm、含有10 mg锎-249的钛薄片。 其他用到锎来合成的超铀元素还包括1961年以硼原子核撞击锎所形成的铹元素。

锎在核医学领域可用来治疗恶性肿瘤。由于锎-252中子源可以做得很小很细,这是其它中子源所做不到的,所以把中子源经过软管送到人体腔内器官肿瘤部位,或者植入到人体的肿瘤组织内进行治疗。特别是对子宫癌、口腔癌、直肠癌、食道癌、胃癌、鼻腔癌等,锎-252中子治疗都有相当好的疗效。

我国生产和应用锎-252中子源始于20世纪90年代。1992年中国已建立了锎-252中子源生产线。由俄罗斯提供锎-252原料和工艺设备,在中国生产锎-252中子源。

中国已有公司从事锎-252中子治疗仪的开发,于1999年起,经过几年的临床应用,显示出非常好的疗效。

锎是一种人造元素,其同位素锎-252被用于近距离治疗。这种同位素首次发现于氢弹爆炸后的尘埃,是能够产生丰富中子的唯一核素。1968年医用锎源被用来治疗首例病人,中子近距离治疗法由此诞生。中子治癌是最先进的癌症治疗方法之一,治疗效果优于当前被广泛使用的放疗。它无须让病人全身接受放射性射线,而是利用特制的施源器将中子源送入人体或肿瘤内进行腔内、管内或组织间照射,放射反应轻且能够彻底杀死癌细胞。

锎累积在骨骼组织里的锎会释放辐射,破坏身体制造红血球的能力。由于放射性极强,在环境中的存量极低,所以锎在生物体中没有任何自然的用途。

在进食受锎污染的食物或饮料,或吸入含有锎的悬浮颗粒之后,锎就会进入体内。在身体里,只有0.05%的锎会进入血液里,其中的65%会积累在骨骼中,肝脏25%,其余的主要通过排尿排出身体。骨骼和肝脏中积累的锎分别会在50年和20年后消失。锎会首先附在骨骼的表面,之后会慢慢蔓延到骨骼的各个部分。

一旦进入体内,锎会造成很大的损害。另外,锎-249和锎-251能释放伽马射线,对外表组织造成伤害。锎所释放的电离辐射在骨骼和肝脏中可致癌 。


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