98 Cf كاليفورنيوم 251*
أكتينيد المستوى الفرعي f الدورة 7 مشعة اصطناعي

كاليفورنيوم

Cf · العنصر 98 · أكتينيد

مصدر نيوترونات قوي بما يكفي لاستخدامه في تسجيل آبار النفط وعلاج السرطان.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 251 u
التوزيع الإلكتروني[Rn] 5f¹⁰ 7s²
97Bk كل العناصر الـ118 99Es

البنية

ذرة كاليفورنيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع كاليفورنيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 15.1 g/cm³ 81%
نقطة الانصهار 1173 K 52%
نقطة الغليان 1743 K 38%
الحرارة النوعية —
الموصلية الحرارية 10 W/m·K 24%

الذرية

نصف القطر الذري 245 pm 80%
نصف القطر التساهمي 168 pm~
نصف قطر فان دير فالس 245 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.3 30%
طاقة التأين 605.9 kJ/mol 36%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

الوفرة في القشرة 0 mg/kg 0%

الهوية

الرمزCf
العدد الذري98
الكتلة الذرية251 u
الفئةأكتينيد
المستوى الفرعيf
البنية البلوريةسداسي متراص
حالات الأكسدة+3, +4
سنة الاكتشاف1950
اكتشفهThompson, Street, Ghiorso & Seaborg

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة كاليفورنيوم؟

نصف القطر 245 pm — أي 0.245 nm، ولذلك فإن نحو 2.04 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون كاليفورنيوم سائلًا ضمن مجال 570 K، من 1173 K إلى 1743 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع كاليفورنيوم في سلسلة أكتينيد، المطبوعة أسفل الشبكة الرئيسية.

عناصر الأكتينيدات الأخرى

89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr
جميع عناصر الأكتينيدات

القصة

ماهيّة كاليفورنيوم وكيف اكتشفناه

مصدر نيوترونات قوي بما يكفي لاستخدامه في تسجيل آبار النفط وعلاج السرطان.

اكتشاف كاليفورنيوم

إنجاز مختبر بيركلي

اكتُشف الكاليفورنيوم في February 9, 1950 في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، مواصلاً السلسلة اللافتة لاكتشافات العناصر الواقعة عبر اليورانيوم التي أحدثت ثورة في العلوم النووية.

فريق الاكتشاف

أنجز اكتشاف الكاليفورنيوم الفريق العبقري نفسه الذي كان ينشئ عناصر جديدة بصورة منهجية:

  • Glenn T. Seaborg - حائز جائزة نوبل وقائد برنامج اكتشاف العناصر الواقعة عبر اليورانيوم
  • Kenneth Street Jr. - كيميائي إشعاعي وخبير في الأكتينيدات
  • Albert Ghiorso - فيزيائي نووي بارع ومصمم أجهزة
  • Stanley G. Thompson - خبير تقنيات الفصل الكيميائي الإشعاعي

طريقة السيكلوترون ذي الـ 60 بوصة

استُخدم في الاكتشاف سيكلوترون بيركلي القوي ضمن تجربة مخططة بعناية:

  • مادة الهدف: كوريوم-242 (نادر ومكلف للغاية)
  • الجسيمات المقذوفة: جسيمات ألفا مسرعة إلى 35 MeV
  • التفاعل النووي: Cm-242 + α → Cf-245 + neutron
  • طريقة الكشف: تحليل اضمحلال ألفا والفصل الكيميائي

التحديات التجريبية

فرض إنشاء الكاليفورنيوم والتعرف إليه صعوبات غير مسبوقة:

  • كميات مجهرية: لم يُنتج في البداية سوى بضعة آلاف من الذرات
  • الاضمحلال السريع: يبلغ عمر النصف لـ Cf-245 45 دقيقة فقط
  • التشابه الكيميائي: جعلت الخصائص شبه المتطابقة مع الأكتينيدات الأخرى الفصل صعباً للغاية
  • المخاطر الإشعاعية: تطلب العمل بالمواد المشعة بشدة بروتوكولات سلامة جديدة

التحديد الكيميائي

تطلب تأكيد وجود الكاليفورنيوم تطوير تقنيات تحليلية جديدة:

  • كروماتوغرافيا التبادل الأيوني: فصلت الكاليفورنيوم عن الأكتينيدات الأخرى استناداً إلى فروق كيميائية دقيقة
  • مطيافية ألفا: قاست طاقات جسيمات ألفا المميزة لتأكيد العنصر الجديد
  • تحليل الاضمحلال: تتبع سلسلة الاضمحلال للتحقق من الخصائص النووية
  • القصف المتقاطع: إنشاء النظير نفسه من خلال تفاعلات نووية مختلفة للتأكيد

التسمية والتقدير

سُمّي العنصر نسبة إلى ولاية كاليفورنيا وجامعة كاليفورنيا:

  • أصل الاسم: يكرّم اسم "Californium" الولاية والجامعة معاً، حيث اكتُشف العنصر
  • اختيار الرمز: يتبع "Cf" اصطلاح التسمية الكيميائية المعياري
  • الاعتراف الدولي: اعتمده رسمياً الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية
  • الأثر العلمي: برهن أن العناصر الاصطناعية الأثقل يمكن أن تكون لها تطبيقات عملية

الإرث والأثر

كان اكتشاف الكاليفورنيوم رائداً لأنه:

  • أثبت أن العناصر الاصطناعية يمكن أن تكون لها استخدامات عملية مهمة
  • طوّر فهم كيمياء الأكتينيدات والفيزياء النووية
  • أدى إلى تطوير مصادر نيوترونات قوية للصناعة والطب
  • أرسى تقنيات إنتاج العناصر الاصطناعية فائقة الثقل والتعامل معها

الاستخدامات

استخدامات كاليفورنيوم

التطبيقات النووية المتقدمة

يبرز الكاليفورنيوم بين العناصر الاصطناعية بوصفه أحد العناصر القليلة ذات الاستخدامات العملية التي تتجاوز البحث البحت. وتجعل خصائصه الفريدة منه مادة لا غنى عنها في التطبيقات الصناعية والعلمية المتخصصة.

تطبيقات مصدر النيوترون

يُعد Cf-252 مصدر نيوترونات بالغ القوة، إذ يُصدر نحو 2.3 × 10¹² نيوترون في الثانية لكل غرام من خلال الانشطار التلقائي. وهذا يجعله قيّماً في:

  • تسجيل آبار النفط: تحليل التنشيط النيوتروني لتحديد محتوى النفط والماء والغاز في التكوينات الجوفية
  • تحليل الفحم: اختبار غير إتلافي لتحديد محتوى الكبريت والرماد في عينات الفحم
  • كشف المعادن: تستخدم أنظمة أمن المطارات Cf-252 لكشف المتفجرات والأسلحة المخفية من خلال التنشيط النيوتروني
  • بدء تشغيل المفاعلات النووية: توفير تدفق النيوترونات الأولي لبدء تشغيل المفاعلات النووية بأمان

التطبيقات الطبية

وجد انبعاث الكاليفورنيوم الشديد للنيوترونات استخدامات طبية متخصصة:

  • علاج السرطان: العلاج بحزمة النيوترونات لأنواع معينة من أورام الدماغ وسرطان عنق الرحم
  • المعالجة الكثبية: مصادر Cf-252 محكمة الإغلاق للعلاج الإشعاعي الداخلي
  • التصوير الطبي: التصوير الشعاعي بالنيوترونات لتطبيقات التصوير الطبي المتخصصة
  • البحث: أبحاث العلاج باصطياد النيوترونات لعلاج السرطانات المقاومة

التطبيقات الصناعية

  • قياس السماكة: قياس سماكة المواد في عمليات التصنيع
  • كشف الرطوبة: تحديد محتوى الماء في مواد البناء والمنتجات الزراعية
  • تحليل الإسمنت: مراقبة الجودة في إنتاج الإسمنت من خلال التنشيط النيوتروني
  • تحليل النفايات النووية: توصيف النفايات المشعة للتخلص منها بأمان

البحث العلمي

  • تشتت النيوترونات: دراسة البنى البلورية والخصائص المغناطيسية للمواد
  • الفيزياء النووية: البحث في عمليات الانشطار النووي وفيزياء النيوترونات
  • علم الآثار: تحليل التنشيط النيوتروني لتأريخ القطع الأثرية القديمة وتحليلها
  • العلوم الجنائية: تحليل العناصر النزرة في التحقيقات الجنائية

الأمن النووي

يؤدي الكاليفورنيوم دوراً حاسماً في تطبيقات الأمن النووي:

  • كشف المواد النووية: تحديد المواد النووية المخفية عند الحدود والموانئ
  • تفتيش الأسلحة: التحقق من الامتثال لنزع السلاح النووي
  • الضمانات: أنظمة المراقبة الدولية للطاقة الذرية

التطبيقات الصناعية المتخصصة

على خلاف معظم العناصر الاصطناعية، للكاليـفورنيوم عدة تطبيقات عملية، رغم أن جميعها تستخدم كميات صغيرة للغاية بسبب ندرته وارتفاع تكلفته.

صناعة النفط

  • تسجيل الآبار: تساعد مصادر Cf-252 النيوترونية في تحديد خصائص مكامن النفط
  • تحليل التكوينات: تحديد مسامية الصخور ومحتوى السوائل في آبار النفط
  • فحص خطوط الأنابيب: كشف التآكل وعيوب المواد في خطوط الأنابيب
  • تطبيقات المصافي: مراقبة الجودة في عمليات تكرير النفط

الأمن والكشف

  • أمن المطارات: أنظمة التنشيط النيوتروني لكشف المتفجرات والمخدرات
  • مراقبة الحدود: فحص حاويات الشحن بحثاً عن المواد النووية المخفية
  • الضمانات النووية: مراقبة الامتثال لمعاهدات عدم انتشار الأسلحة النووية
  • التطبيقات العسكرية: أنظمة كشف متخصصة لأغراض الدفاع

التصنيع ومراقبة الجودة

  • قياس السماكة: قياس الصفائح والأغشية المعدنية دون تلامس
  • تحليل الرطوبة: تحديد محتوى الماء في مواد البناء والمنتجات الغذائية
  • قياس الكثافة: مراقبة الجودة في إنتاج الخرسانة والأسفلت
  • التحليل العنصري: تحليل التنشيط النيوتروني لتحديد تركيب المواد

المختبر والبحث

  • مصدر النيوترون: معايرة معدات كشف النيوترونات
  • تحليل التنشيط: تحديد العناصر النزرة في العينات
  • البحث النووي: دراسة الخصائص والتفاعلات النووية
  • الأدوات التعليمية: توضيح مبادئ الفيزياء النووية

الواقع الاقتصادي: تبلغ تكلفة الكاليفورنيوم نحو $25-30 مليون لكل غرام، مما يجعله من أغلى المواد على الأرض. وتستخدم التطبيقات المعتادة كميات لا تتجاوز الميكروغرامات.

مصدره

الوجود الطبيعي

0 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 0% من العناصر

إنتاج اصطناعي بالكامل

لا يوجد الكاليفورنيوم طبيعياً على الأرض، بل يجب إنشاؤه من خلال عمليات نووية متطورة. وهو يمثل أحد أصعب إنجازات البشرية في تخليق العناصر الاصطناعية.

طريقة الإنتاج الرئيسية

عملية مفاعل النظائر عالي التدفق (HFIR): يحدث الإنتاج الرئيسي في مختبر أوك ريدج الوطني:

  • مادة البدء: تُحضّر أهداف كوريوم-244 من بلوتونيوم-239
  • قصف النيوترونات: يمتص Cm-244 النيوترونات في قلب المفاعل
  • الاصطياد المتتابع: تؤدي عمليات اصطياد النيوترونات المتعددة إلى إنشاء نظائر كوريوم أثقل
  • اضمحلال بيتا: يخضع Cm-249 لاضمحلال بيتا ليتحول إلى Bk-249
  • الخطوة النهائية: يلتقط Bk-249 نيوتروناً آخر ويخضع لاضمحلال بيتا ليتحول إلى Cf-250

تحديات الإنتاج

يتطلب إنشاء الكاليفورنيوم التغلب على عقبات تقنية هائلة:

  • المردود المنخفض للغاية: لا تنتج سنوات من تشغيل المفاعل سوى مليغرامات
  • الكيمياء المعقدة: فصله عن عشرات العناصر المشعة الأخرى
  • أعمار النصف القصيرة: تتحلل كثير من المنتجات الوسيطة قبل تحويلها
  • التكاليف المرتفعة: تكاليف وقت المفاعل والمعالجة هائلة

شبكة الإنتاج العالمية

لا تستطيع إنتاج الكاليفورنيوم إلا منشآت قليلة حول العالم:

  • مختبر أوك ريدج الوطني (USA): المصدر الرئيسي عالمياً، وينتج نحو 500 ميكروغرام سنوياً
  • معهد أبحاث المفاعلات الذرية (Russia): قدرات إنتاج محدودة
  • الطاقة الذرية الكندية المحدودة: إنتاج صغير النطاق من حين إلى آخر
  • معهد لاو-لانجفان (France/Germany): كميات مخصصة للبحث فقط

المعالجة والتنقية

يتضمن استخراج الكاليفورنيوم من أهداف المفاعل ما يلي:

  • إذابة الهدف: إذابة أهداف الكوريوم المشععة في الحمض
  • الفصل الكيميائي: كروماتوغرافيا التبادل الأيوني لفصل الأكتينيدات
  • تنقية النظائر: فصل إضافي لعزل نظائر Cf محددة
  • إعداد المصدر: التغليف من أجل التداول والاستخدام الآمنين

إحصاءات الإنتاج

  • الإنتاج الإجمالي: لم يُنتج منذ 1958 سوى نحو 8 غرامات من الكاليفورنيوم
  • المخزون الحالي: يوجد نحو 500 مليغرام حول العالم
  • الإنتاج السنوي: أقل من 1 غرام سنوياً على مستوى العالم
  • مدة الإنتاج: 18-24 شهراً من إعداد الهدف إلى المنتج النهائي

الأهمية الاستراتيجية: تحتفظ الولايات المتحدة وRussia بقدرات الإنتاج الكبيرة الوحيدة للكاليـفورنيوم في العالم، مما يجعله مادة ذات أهمية استراتيجية لكلا البلدين.

التعامل

السلامة

كاليفورنيوم مشع. لا يملك نظيرًا مستقرًا — تتحلل كل نواة. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.

خطر إشعاعي شديد

خطر: الكاليفورنيوم من أكثر المواد المشعة والخطيرة المعروفة. وتبلغ الفعالية النوعية لـ Cf-252 مقدار 536 GBq/mg، مما يجعله قاتلاً بكميات مجهرية.

المخاطر الصحية الحرجة

  • إشعاع ألفا الشديد: يسبب أضراراً خلوية بالغة وتدميراً للحمض النووي
  • انبعاث النيوترونات: يصدر Cf-252 نيوترونات عالية الطاقة تنفذ عميقاً في الأنسجة
  • التلوث الداخلي: شديد الخطورة عند استنشاقه أو ابتلاعه أو دخوله عبر الجروح
  • باحث العظام: يتركز في العظام والكبد، مسبباً تعرضاً إشعاعياً طويل الأمد
  • مسرطن: يزيد بدرجة كبيرة خطر سرطان العظام وسرطان الكبد واللوكيميا

بروتوكولات السلامة الإلزامية

  • الاحتواء في الخلية الساخنة: يجب التعامل معه فقط في منشآت محمية بشدة وتُدار عن بُعد
  • حواجز متعددة: أنظمة احتواء ثلاثية لمنع أي تسرب محتمل
  • الحماية من النيوترونات: يلزم استخدام مواد خاصة ماصة للنيوترونات إضافة إلى الحماية الإشعاعية المعيارية
  • مراقبة الإشعاع: مراقبة مستمرة باستخدام أنظمة كشف متعددة
  • أنظمة الطوارئ: أنظمة سلامة آلية للاحتواء الفوري عند وقوع الحوادث

حماية العاملين

  • التداول عن بُعد: يجب تنفيذ جميع العمليات عن بُعد باستخدام المتلاعبات
  • قياس الجرعات الشخصي: شارات إشعاع متعددة ومراقبة فورية للجرعة
  • المراقبة الطبية: مراقبة صحية منتظمة لجميع العاملين
  • متطلبات التدريب: تدريب متخصص موسع في السلامة الإشعاعية

الاستجابة للطوارئ

تتطلب حوادث الكاليفورنيوم استجابة طارئة فورية:

  • الإخلاء: إخلاء جميع العاملين فوراً من المناطق الملوثة
  • العلاج الطبي: علاج طارئ على يد اختصاصيي طب الإشعاع
  • إزالة التلوث: الحاجة إلى فرق متخصصة في التنظيف الإشعاعي
  • المراقبة الطويلة الأمد: مراقبة صحية مدى الحياة للأشخاص المتعرضين

الرقابة التنظيمية: يخضع الكاليفورنيوم لأشد ضوابط المواد النووية صرامة. ويتطلب حيازته واستخدامه ونقله تراخيص خاصة وإشرافاً دولياً.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن كاليفورنيوم

ما هو كاليفورنيوم؟

كاليفورنيوم (رمزه Cf) هو العنصر 98 في الجدول الدوري، وينتمي إلى أكتينيد في الدورة 7. مصدر نيوترونات قوي بما يكفي لاستخدامه في تسجيل آبار النفط وعلاج السرطان. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.

ما التوزيع الإلكتروني لـ كاليفورنيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـكاليفورنيوم هو [Rn] 5f¹⁰ 7s²، ويشغل 7 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2.

ما نقطتا انصهار وغليان كاليفورنيوم؟

ينصهر كاليفورنيوم عند 1173 K (899.9 °C) ويغلي عند 1743 K (1469.9 °C).

ما الكتلة الذرية لـ كاليفورنيوم؟

لا يملك كاليفورنيوم أي نظير مستقر، ولذلك لا يملك وزناً ذرياً معيارياً. والرقم المذكور، 251، هو العدد الكتلي لأطول نظائره المعروفة عمراً.

ما كثافة كاليفورنيوم؟

تبلغ كثافة كاليفورنيوم مقدار 15.1 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من كاليفورنيوم أثقل بنحو 15.1×.

ما الكهروسلبية لـ كاليفورنيوم؟

تبلغ كهروسلبية كاليفورنيوم وفق مقياس باولنغ 1.3. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف كاليفورنيوم ومتى؟

اكتُشف كاليفورنيوم في 1950 على يد Thompson, Street, Ghiorso & Seaborg. سُمّي على اسم كاليفورنيا.

ما مدى وفرة كاليفورنيوم على الأرض؟

لا يوجد كاليفورنيوم طبيعيًا على الأرض بأي كمية تُذكر — بل يُنتج في مفاعل أو مُسرّع.

هل كاليفورنيوم مشع؟

نعم. لا يوجد لـ كاليفورنيوم أي نظير مستقر — إذ تتحلل كل نواته. لا يوجد في الطبيعة بكميات قابلة للاستخدام، ويجب تصنيعه.

→ السابق Bk بركليوم العنصر 97 · أكتينيد التالي ← Es أينشتاينيوم العنصر 99 · أكتينيد