98 Cf 锎 251*
锕系元素 f区 第7周期 放射性 合成

锎

Cf · 元素98 · 锕系元素

强大的中子源,可用于油井测井和癌症治疗。

20°C时的状态 固态
原子量 251 u
电子排布[Rn] 5f¹⁰ 7s²

结构

锎原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示锎在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 15.1 g/cm³ 81%
熔点 1173 K 52%
沸点 1743 K 38%
比热容 —
热导率 10 W/m·K 24%

原子

原子半径 245 pm 80%
共价半径 168 pm~
范德华半径 245 pm

电子

电负性 1.3 30%
电离能 605.9 kJ/mol 36%
电子亲和能 —

存在情况

地壳中的丰度 0 mg/kg 0%

身份

符号Cf
原子序数98
原子量251 u
类别锕系元素
区f
晶体结构六方密排
氧化态+3, +4
发现1950
发现者Thompson, Street, Ghiorso & Seaborg

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

锎的原子有多大?

半径245 pm——即0.245 nm,因此大约2.04百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

锎在570 K的范围内呈液态,温度从1173 K到1743 K。

所在位置

在表中的位置

锎位于锕系元素系,印在主表格下方。

其他锕系元素

所有锕系元素

背后的故事

锎是什么,以及我们如何发现它

强大的中子源,可用于油井测井和癌症治疗。

锎的发现

Berkeley Lab的成就

锎于1950年2月9日在University of California, Berkeley被发现,延续了改变核科学面貌的超铀元素发现系列。

发现团队

锎的发现由同一支杰出团队完成,他们一直在系统地创造新元素:

  • Glenn T. Seaborg——诺贝尔奖获得者,超铀元素发现计划负责人
  • Kenneth Street Jr.——放射化学专家和锕系元素专家
  • Albert Ghiorso——富有创造力的核物理学家和仪器设计师
  • Stanley G. Thompson——放射化学分离技术大师

60英寸回旋加速器方法

这项发现利用Berkeley强大的回旋加速器,通过精心设计的实验完成:

  • 靶材:锔-242(极其稀有且昂贵)
  • 轰击粒子:加速至35 MeV的α粒子
  • 核反应:Cm-242 + α → Cf-245 + 中子
  • 探测方法:α衰变分析和化学分离

实验挑战

锎的制备和鉴定带来了前所未有的困难:

  • 微观数量:最初仅生成了几千个原子
  • 快速衰变:Cf-245的半衰期仅为45分钟
  • 化学相似性:与其他锕系元素的性质几乎相同,使分离极其困难
  • 辐射危害:处理强放射性材料需要制定新的安全规程

化学鉴定

确认锎的存在需要开发新的分析技术:

  • 离子交换色谱:根据细微的化学差异,将锎与其他锕系元素分离
  • α能谱:测量特征性α粒子能量,以确认这一新元素
  • 衰变分析:追踪衰变链,以验证核性质
  • 交叉轰击:通过不同核反应制备相同同位素,以进行确认

命名与认可

该元素以加利福尼亚州和University of California命名:

  • 名称来源:“Californium”同时纪念发现该元素的州和大学
  • 符号选择:“Cf”遵循标准化学命名惯例
  • 国际认可:获International Union of Pure and Applied Chemistry正式接受
  • 科学影响:证明更重的合成元素也能够拥有实际应用

遗产与影响

锎的发现具有开创性,因为它:

  • 证明合成元素可以具有重要的实际用途
  • 推进了对锕系元素化学和核物理学的理解
  • 促成了工业和医学领域强大中子源的开发
  • 建立了制备和处理合成超重元素的技术

用途

锎的用途

先进核应用

锎在合成元素中表现突出,是少数具有纯研究以外实际应用的元素之一。其独特性质使其在专业工业和科学应用中极具价值。

中子源应用

Cf-252是一种功率极高的中子源,通过自发裂变每克每秒释放约2.3 × 10¹²个中子。因此,它在以下领域极具价值:

  • 油井测井:通过中子活化分析测定地下地层中的石油、水和气体含量
  • 煤炭分析:对煤样进行无损检测,以测定硫和灰分含量
  • 金属探测:机场安检系统利用Cf-252通过中子活化探测隐藏的爆炸物和武器
  • 核反应堆启动:提供初始中子通量,以安全启动核反应堆

医疗应用

锎强烈的中子发射已产生一些专业医疗用途:

  • 癌症治疗:利用中子束治疗某些类型的脑肿瘤和宫颈癌
  • 近距离放射治疗:使用密封的Cf-252源进行体内放射治疗
  • 医学成像:用于专业医学成像的中子照相
  • 研究:研究中子俘获疗法,以治疗耐药性癌症

工业应用

  • 厚度测量:测量制造过程中材料的厚度
  • 水分检测:测定建筑材料和农产品中的含水量
  • 水泥分析:通过中子活化对水泥生产进行质量控制
  • 核废物分析:表征放射性废物,以便安全处置

科学研究

  • 中子散射:研究材料的晶体结构和磁性质
  • 核物理:研究核裂变过程和中子物理学
  • 考古学:通过中子活化分析对古代文物进行年代测定和分析
  • 法医学:在刑事调查中分析痕量元素

核安全

锎在核安全应用中发挥着关键作用:

  • 核材料探测:在边境和港口识别隐藏的核材料
  • 武器检查:核查核裁军合规情况
  • 保障监督:国际原子能监测系统

专业工业应用

与大多数合成元素不同,锎具有多种实际应用,但由于其稀有且成本高昂,所有应用都只涉及极少量的锎。

石油工业

  • 井筒测井:Cf-252中子源有助于确定石油储层特征
  • 地层分析:识别油井中岩石的孔隙度和流体含量
  • 管道检测:探测管道中的腐蚀和材料缺陷
  • 炼油应用:对石油精炼过程进行质量控制

安全与探测

  • 机场安检:利用中子活化系统探测爆炸物和麻醉品
  • 边境管制:扫描货运集装箱,寻找隐藏的核材料
  • 核保障监督:监测核不扩散条约的履行情况
  • 军事应用:用于国防目的的专业探测系统

制造与质量控制

  • 厚度测量:非接触式测量金属板材和薄膜
  • 水分分析:测定建筑材料和食品中的含水量
  • 密度测量:对混凝土和沥青生产进行质量控制
  • 元素分析:通过中子活化分析测定材料组成

实验室与研究

  • 中子源:校准中子探测设备
  • 活化分析:测定样品中的痕量元素
  • 核研究:研究核性质和核反应
  • 教育工具:演示核物理学原理

经济现实:锎的价格约为$25-30 million/克,是地球上最昂贵的材料之一。典型应用仅使用微克级数量。

来源

自然存在

地壳中含量为0 mg/kg · 比0%的元素更丰富

完全人工制备

锎在地球上不存在天然来源,必须通过复杂的核过程制备。它代表了人类在人工合成元素方面最具挑战性的成就之一。

主要制备方法

高通量同位素反应堆(HFIR)工艺:主要生产在Oak Ridge National Laboratory进行:

  • 起始材料:由钚-239制备锔-244靶材
  • 中子轰击:Cm-244在反应堆堆芯中吸收中子
  • 连续俘获:多次俘获中子,生成更重的锔同位素
  • β衰变:Cm-249发生β衰变,变为Bk-249
  • 最后一步:Bk-249再俘获一个中子并发生β衰变,生成Cf-250

生产挑战

制备锎需要克服巨大的技术障碍:

  • 产率极低:反应堆运行数年只能生产几毫克
  • 化学过程复杂:需要从数十种其他放射性元素中进行分离
  • 半衰期短:许多中间产物在转化前就会发生衰变
  • 成本高昂:反应堆运行时间和加工成本极高

全球生产网络

全球只有少数设施能够生产锎:

  • Oak Ridge National Laboratory(美国):全球主要来源,每年生产约500微克
  • Research Institute of Atomic Reactors(俄罗斯):生产能力有限
  • Atomic Energy of Canada Limited:偶尔进行小规模生产
  • Institut Laue-Langevin(法国/德国):仅生产研究所需数量

加工与纯化

从反应堆靶材中提取锎包括以下步骤:

  • 靶材溶解:将辐照后的锔靶材溶解在酸中
  • 化学分离:通过离子交换色谱分离锕系元素
  • 同位素纯化:进一步分离,以提取特定的Cf同位素
  • 源制备:进行封装,以便安全处理和使用

生产统计

  • 总产量:自1958年以来仅生产了约8克锎
  • 现有库存:全球约有500毫克
  • 年产量:全球每年少于1克
  • 生产时间:从靶材制备到最终产品需要18至24个月

战略重要性:美国和俄罗斯拥有全球仅有的主要锎生产能力,因此锎是两国具有战略重要性的材料。

处理

安全

锎具有放射性。 它没有稳定同位素——每个原子核都会衰变。的处理需要适当的屏蔽和许可。

极端放射性危害

危险:锎是已知放射性最强、危险性最高的材料之一。Cf-252的比活度为536 GBq/mg,微观量即可致命。

重大健康危害

  • 强烈的α辐射:造成严重的细胞损伤和DNA破坏
  • 中子发射:Cf-252发射高能中子,可深入穿透组织
  • 体内污染:吸入、摄入或经伤口进入体内都极其危险
  • 亲骨性:在骨骼和肝脏中富集,造成长期辐射暴露
  • 致癌性:大幅增加骨癌、肝癌和白血病的风险

强制性安全规程

  • 热室隔离:必须仅在高度屏蔽、远程操作的设施中处理
  • 多重屏障:采用三级密封系统,防止任何可能的泄漏
  • 中子屏蔽:除标准辐射屏蔽外,还必须使用特殊的中子吸收材料
  • 辐射监测:使用多个探测系统进行持续监测
  • 应急系统:发生事故时使用自动安全系统立即进行隔离

人员防护

  • 远程操作:所有操作必须使用机械手远程完成
  • 个人剂量监测:佩戴多个辐射剂量计并进行实时剂量监测
  • 医学监护:对所有人员进行定期健康监测
  • 培训要求:接受全面的辐射安全专业培训

应急响应

锎事故需要立即采取应急响应:

  • 疏散:立即疏散污染区域内的所有人员
  • 医疗救治:由放射医学专家进行紧急治疗
  • 去污:必须由专业放射性清理队伍进行处理
  • 长期监测:对暴露人员进行终身健康监测

监管控制:锎受到最严格的核材料管制。其持有、使用和运输需要特别许可证及国际监督。

快速解答

锎:常见问题

锎是什么?

锎(符号Cf)是元素周期表中的第98号元素,属于7周期的锕系元素。 强大的中子源,可用于油井测井和癌症治疗。 在室温下为固态,并具有放射性。

锎的电子排布是什么?

锎的基态电子排布为[Rn] 5f¹⁰ 7s²,共有7个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 28, 8, 2。

锎的熔点和沸点是多少?

锎在1173 K(899.9 °C)熔化,在1743 K(1469.9 °C)沸腾。

锎的原子量是多少?

锎没有稳定同位素,因此没有标准原子量。所列数值251是其已知寿命最长同位素的质量数。

锎的密度是多少?

锎的密度为15.1 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此锎块约重15.1倍。

锎的电负性是多少?

锎的鲍林电负性为1.3。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了锎,是在什么时候?

锎由Thompson, Street, Ghiorso & Seaborg于1950年发现。 它以california命名。

锎在地球上有多常见?

锎在地球上不会以任何有意义的数量自然存在——它是在反应堆或加速器中制得的。

锎具有放射性吗?

是。锎没有稳定同位素——它的每个原子核都会衰变。 自然界中不存在可用数量的该元素,必须通过合成获得。