103 Lr 铹 262*
锕系元素 d区 第7周期 放射性 合成

铹

Lr · 元素103 · 锕系元素

最后一种锕系元素,其电子排布打破了预期模式。

20°C时的状态 固态~
原子量 262 u
电子排布[Rn] 5f¹⁴ 7s² 7p¹

结构

铹原子

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

每个条形图显示铹在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 15.6 g/cm³~ 83%
熔点 1900 K~ 81%
沸点 —
比热容 —
热导率 —

原子

原子半径 246 pm 83%
共价半径 161 pm~
范德华半径 246 pm

电子

电负性 1.3 30%
电离能 478.6 kJ/mol 3%
电子亲和能 —

存在情况

地壳中的丰度 0 mg/kg 0%

身份

符号Lr
原子序数103
原子量262 u
类别锕系元素
区d
晶体结构unknown
氧化态+3
发现1961
发现者Lawrence Berkeley National Laboratory

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

铹的原子有多大?

半径246 pm——即0.246 nm,因此大约2.03百万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

铹在1900 K时熔化;其沸点尚未测定。

所在位置

在表中的位置

铹位于锕系元素系,印在主表格下方。

其他锕系元素

所有锕系元素

背后的故事

铹是什么,以及我们如何发现它

最后一种锕系元素,其电子排布打破了预期模式。

铹的发现

Berkeley Laboratory的成就(1961年)

铹于1961年由Albert Ghiorso、Torbjørn Sikkeland、Almon E. Larsh和Robert M. Latimer在Lawrence Berkeley National Laboratory发现,使用的设备是重离子直线加速器(HILAC)。这一发现标志着锕系元素系列的完成,并开启了超重元素研究的大门。

HILAC突破性技术

研究团队使用Berkeley的革命性重离子直线加速器轰击锎-252靶材,所用离子为硼-10和硼-11。产生的铹-258原子核通过创新的反冲技术和固态探测器被探测到,代表了当时最前沿的核物理技术。

反冲探测创新

这项发现采用了开创性的“反冲技术”:将铹原子沉积到镀金属的Mylar胶带上,使其经过一系列探测器,以测量其特征性α衰变。这种方法后来成为鉴定超重元素的标准方法。

纪念Ernest Lawrence

该元素以回旋加速器发明者和Berkeley Lab创始人Ernest Orlando Lawrence(1901-1958)的名字命名为“lawrencium”。这一命名致敬了美国在激烈的冷战元素发现竞争中对核物理学作出的贡献。

通往超重元素的门户

作为最后一种锕系元素,铹的发现标志着核科学中的一个关键里程碑,为持续至今的超重元素研究奠定了基础。它代表了一个时代的结束,以及对未知核领域探索的开始。

用途

铹的用途

锕系元素系列边界研究

铹是关键的最后一种锕系元素,标志着超重元素区域中 f 轨道填充结束并开始填充 d 轨道的转变点。这使其对于理解传统元素之外的电子排布规律和化学周期性具有不可估量的价值。

相对论化学研究

科学家利用铹研究超重原子中的相对论效应,此时电子速度接近光速的显著分数。这些研究验证了量子力学对极端核电荷条件下化学性质变化的预测。

化学性质研究

研究团队利用铹开展开创性的单原子化学实验,以确定其氧化态、离子半径和化学键合行为。这些研究有助于预测更重超重元素的性质,并验证理论化学模型。

核壳层结构分析

铹同位素为理解控制超重元素稳定性的核幻数和壳层效应提供了关键数据。这项研究为预测理论上的“稳定岛”以及合成104号及更重元素的最佳途径提供指导。

先进合成技术开发

铹研究推动了超重元素制备方法的创新,包括热聚变反应、靶材制备技术和分离化学,从而能够在极少量物质中分离并研究单个原子。

核研究实验室应用

铹的应用仍局限于包括Berkeley Lab、GSI Helmholtz Centre、RIKEN和JINR的Flerov Laboratory在内的世界一流核研究设施。这些机构利用铹开展基础核物理和超重元素化学研究。

核能谱学研究

研究团队利用铹开展精密核测量,包括测定α衰变能量、γ射线能谱学研究和核寿命研究。这些实验为理解原子稳定性极限下的核结构提供了必要数据。

单原子化学分析

科学家利用铹开展突破性的逐原子化学研究,通过复杂的萃取和检测技术研究其化学行为。这些实验代表了化学与核物理交汇的终极前沿。

检测技术创新

铹研究推动了超高灵敏度分析系统的开发,包括磁扇形分离器、飞行时间探测器和先进的数据采集系统,不断拓展核仪器技术的边界。

来源

自然存在

地壳中含量为0 mg/kg · 比0%的元素更丰富

仅能人工合成

铹不存在于宇宙任何地方的自然环境中,只能通过粒子加速器中的人工核合成产生。这种超重元素代表了自大爆炸以来从未自然存在过的物质。

粒子加速器合成

科学家在直线加速器中用硼、碳或氮离子轰击锫或锎靶材来制造铹。1961年最初的Berkeley合成使用重离子直线加速器(HILAC)轰击锎-252,生成铹-258。

极短的半衰期

最稳定的铹同位素266Lr的半衰期仅为11小时,因此任何原始铹都不可能在地球形成过程中保存下来。大多数铹同位素在生成后几分钟或几秒内就会衰变。

原子尺度的制备

全球铹产量以每次合成运行产生的单个原子数计量,所有研究设施的全球年产量可能总共只有数百至数千个原子。每次合成都需要稀有的锕系元素靶材和巨大的能量消耗。

宇宙中的缺失

不同于通过恒星核合成、宇宙射线散裂或原始核合成形成的元素,由于半衰期极短且需要特定的核反应条件,铹无法自然形成。它只通过人类的技术成就而存在。

处理

安全

铹具有放射性。 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。

强放射性危害

极度危险:铹是一种高度放射性的合成元素,会发射危险的α粒子和β辐射,并发生自发裂变。即使是单个原子也会带来理论上的健康风险,因此需要最高级别的辐射防护和隔离措施。

α粒子发射

铹同位素会发射高能α粒子,可造成严重的细胞损伤和基因突变。体内污染会使器官受到集中的辐射剂量,可能导致急性辐射综合征,并在数日内死亡。

最高级别安全规程

研究需要在高度屏蔽的热室内使用远程操作系统,进行持续辐射监测,并具备应急响应能力。处理铹样品时,人员必须保持安全距离,并始终使用机器人操作。

污染与废物危害

所有接触过铹的材料都会成为高放射性废物,需要采用专门的处置程序。即使是微量污染也会产生持续的辐射危害,必须按照严格的核安全法规进行管理。

快速解答

铹:常见问题

铹是什么?

铹(符号Lr)是元素周期表中的第103号元素,属于7周期的锕系元素。 最后一种锕系元素,其电子排布打破了预期模式。 在室温下预计为固态,并且具有放射性。

铹的电子排布是什么?

铹的基态电子排布为[Rn] 5f¹⁴ 7s² 7p¹,共有7个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 32, 8, 3。

铹的熔点和沸点是多少?

从未将铹的样品冷凝出来,因此这两个数值是计算得出的,而非测量结果:预计其在1900 K(1626.9 °C)熔化,在未测定沸腾。

铹的原子量是多少?

铹没有稳定同位素,因此没有标准原子量。所列数值262是其已知寿命最长同位素的质量数。

铹的密度是多少?

预计铹的密度约为15.6 g/cm³,但从未制得足够大的样品来称量。作为比较,水的密度为1.0 g/cm³。

铹的电负性是多少?

铹的鲍林电负性为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。

谁发现了铹,是在什么时候?

铹由Lawrence Berkeley National Laboratory于1961年发现。 它以ernest Lawrence命名。

铹在地球上有多常见?

铹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。

铹具有放射性吗?

是。铹没有稳定同位素——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。