108 钅黑 Hs

元素

108 钅黑 Hs

本文作者：漂泊
钅黑是一种人工合成的放射性元素，由德国达姆施塔特重离子研究所科学家利用⁵⁸Fe轰击²⁰⁸Pb得到，得名于发现地德国「黑森州」。

钅黑的基本物理性质

分类	第Ⅷ族（放射性元素）
原子序号・原子量	108 [277]
电子配置	5f¹⁴ 6d⁶ 7s²
发现者	达姆施塔特重离子研究所
主要的同位素	²⁶³Hs,²⁶⁴Hs,²⁶⁵Hs,²⁶⁶Hs,²⁶⁷Hs,²⁶⁸Hs,²⁶⁹Hs,²⁷⁰Hs,²⁷¹Hs,²⁷³Hs,²⁷⁵Hs,²⁷⁷Hs
最长半衰期	9s（²⁶⁹Hs）
前后的元素	钅波-钅黑-钅麦

钅黑的发现

1978年，苏联杜布纳联合核子研究所一个由Yuri Oganessian领导的研究小组首次尝试了合成108号元素。由于最稳定的同位素的中子-质子比随着原子序数的增加而增长，对于原子序数很大的元素来说，它们的中子数几乎和质子数接近。传统的热核聚变方法会释放出数个中子，这不利于形成稳定的核素，因此他们发明了冷核聚变的方法：利用⁴⁸Ca这种高中子-质子比的轻元素核素作为“子弹”，轰击²²⁶Ra，但是实验并没有成功。1983年，他们又进行了数次核反应：利用⁵⁵Mn轰击²⁰⁹Bi；利用⁵⁸ Fe轰击²⁰⁸Pb；利用¹⁰Ne轰击²⁴⁹Cf。这些实验的结果似乎也不如预期。

1984年，德国达姆施塔特重离子研究所(Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI)一个由Peter Armbruster和 Gottfried Münzenberg领导的研究小组，利用重离子加速器加速⁵⁸ Fe轰击²⁰⁸Pb靶，得到了²⁶⁵108，其半衰期只有0.002s，这是108号元素首次被成功合成。108号元素以其发现地德国黑森州（Hesse）命名为Hassium，符号为Hs，中文译名为“钅黑”。目前所获得的钅黑最稳定的同位素是²⁶⁹Hs，其半衰期为9s，放出α粒子后衰变为²⁶⁵Sg。通过质谱仪已经证实钅黑存在类似于OsO₄的正四价氧化物。^[1-6]

达姆施塔特重离子研究所内部设施

核反应与超重元素合成

核反应是指原子核与原子核，或原子核与其他粒子（如质子，中子，光子和高能电子）发生相互作用，进而引发的改变或反应。在核反应的过程中，会产生不同于入射弹核或靶核的新原子核。因此，利用核反应可以合成各种不稳定的超重原子核。

核反应中反应前后的能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称都必须守恒。它是宇宙中极为普遍的自然现象。如今自然界中存在的化学元素除了氢之外，都是通过宇宙的天然核反应合成的，在恒星上发生的核反应是恒星能够辐射出巨大能量的源泉。

1919年英国科学家卢瑟福用天然放射性物质放射的α粒子轰击¹⁴N，首次实现了人工核反应。在核反应中，用于轰击原子核的粒子称为入射粒子或轰击粒子，被轰击的原子核称为靶核，核反应发射的粒子称为出射粒子，反应生成的原子核称为剩余核或产物核。入射粒子a轰击靶核A，发射出射粒子b并生成剩余核B的核反应可用以下方程式表示：A+a→B+b

给定的入射粒子和靶核能发生的核反应往往不止一种。每一种核反应称为一个反应道。反应道由入射道和出射道构成。入射粒子和靶核组成入射道，出射粒子和剩余核组成出射道。同一入射道可以有若干出射道，同一出射道也可以有若干入射道。发生某种核反应的几率用核反应截面来表示。只有满足质量数、电荷、能量、动量、角动量和宇称守恒等条件，核反应才能发生，相应的反应道是开放的，或简称开道，反之为闭道。核反应过程总是伴随着能量的吸收或释放，前者对应吸能反应，反者对应放能反应。

核反应通常分为四类：衰变、粒子轰击、裂变和聚变。第一种是自发发生的核转变，而后三种为人工核反应（即用人工方法进行的非自发核反应）。某些核反应存在链式反应的现象，如：²³⁵U和中子的核反应：只要有一个中子轰击²³⁵U，就会放出3个中子，3个中子再去轰击²³⁵U就会生成9个中子，这样连续下去，在几微秒的时间里，就使反应进行得非常剧烈而放出巨大的能量。具有这种特点的反应，我们称之为链式反应。原子弹的爆炸如此剧烈，就是因为发生了链式反应。粒子轰击常用的入射粒子有中子、氦核和其他轻元素的离子。⁴⁸Ca在超重元素的合成过程中出现频率很高，这是因为⁴⁸Ca是具有最高中子质子比的轻元素核素，越多的中子越能使合成的重原子核保持稳定。^[7-10]

核反应示意图

参考文献

[1] Münzenberg, G.; Armbruster, P.; Folger, H.; et al. (1984). “The identification of element 108” (PDF). Zeitschrift für Physik A. 317 (2): 235–236. Bibcode:1984ZPhyA.317..235M. doi:10.1007/BF01421260.
[2] Oganessian, Yu. Ts. (2004). “Superheavy elements”. Pure and Applied Chemistry. 76 (9): 1717–1718. doi:10.1351/pac200476091715. ISSN 1365-3075.
[3] Oganessian, Yu. Ts.; Ter-Akopian, G. M.; Pleve, A. A.; et al. (1978). Опыты по синтезу 108 элемента в реакции ²²⁶Ra + ⁴⁸Ca [Experiments on the synthesis of element 108 in the ²²⁶Ra+⁴⁸Ca reaction] (PDF) (Report) (in Russian). Joint Institute for Nuclear Research.
[4] Barber, R. C.; Greenwood, N. N.; Hrynkiewicz, A. Z.; et al. (1993). “Discovery of the Transfermium elements” (PDF). Pure and Applied Chemistry. 65 (8): 1757–1814. doi:10.1351/pac199365081757.
[5] Hofmann, S. (2016). “The discovery of elements 107 to 112” . EPJ Web Conf. 131: 4–5. Bibcode:2016EPJWC.13106001H. doi:10.1051/epjconf/201613106001.
[6] Chatt, J. (1979). “Recommendations for the naming of elements of atomic numbers greater than 100”. Pure and Applied Chemistry. 51 (2): 381–384. doi:10.1351/pac197951020381.
[7] The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars
[8]R. J. D. Tilley Understanding solids: the science of materials, John Wiley and Sons, 2004, ISBN 0-470-85275-5, p. 495
[9] Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932.
[10]Lise Meitner: Otto Hahn – the discoverer of nuclearfission. In: Forscher und Wissenschaftler im heutigenEuropa. Stalling Verlag, Oldenburg/Hamburg 1955.