鑽石舞台

原文作者：永目諭一郎（Yuichiro Nagame），日本原子力研究開發機構先端基礎研究中心

鐒的發現，或者更準確地說，鐒的合成是由分別來自美國伯克利和俄羅斯杜布納的兩支研究團隊歷經多年，開展多次實驗才實現的[1]。1961年，伯克利團隊首先宣告了第103號元素的某一同位素的合成。他們以硼粒子轟擊混合有多種鐦同位素（鐦-249、250、251、252）的標靶；所得產物被金屬化的聚酯帶捕獲且通過了一系列的α粒子探測器。結果顯示生成了一個會放射α粒子、能量為8.6 MeV、半衰期約為8秒的新核素，其被認定為同位素鐒-257。

隨後，杜布納團隊在1965年也宣布合成了103號元素——由一束氧-18離子轟擊鎇-243標靶所得，但其所得質量數與伯克利團隊確認的結果衝突。經過雙方的持續努力，最終伯克利團隊在1971年確認了質量數為255至260的鐒同位素可以通過氮-14和氮-15轟擊鋦-248，以及通過硼-10和硼-11轟擊鐦-249製得。這些結果也證實了先前的大多數報告，除第一個被製造出的同位素實際上是鐒-258以外。

新元素命名的過程也歷經曲折。首先是伯克利團隊建議使用「lawrencium」（鐒），符號「Lw」，以紀念迴旋粒子加速器的發明者歐內斯特·O·勞倫斯（Ernest O. Lawrence）。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）在1971年批准了該命名，但將元素符號改為「Lr」。然而到了1992年，由IUPAC和IUPAP（國際純粹與應用物理學聯合會）設立的超鐨元素工作小組重新評估了所有報道過的數據，並提出建議，希望伯克利和杜布納團隊共享發現第103號元素的榮譽[2]。之後在1997年，這兩個團隊被官方認定為共同發現者。但鐒這個名字由於當時已被普遍接受，因此保持不變。

目前，已知鐒擁有12種同位素，質量數分別從252到262以及266。鐒-266是其中壽命最長的同位素，半衰期達到11小時。鐒-253和鐒-255是兩個亞穩態的核異構體。

對原子序數Z ≥ 100的重元素的化學性質進行研究是極其困難的。因為這些元素原子的半衰期很短，必須在加速器上生成，而且一次只能製備幾個甚至常常是僅有一個原子。所以實驗程序必須重複數百次甚至數千次才能產生具有統計顯著性的結果。早在1970年，對鐒-256進行的首次化學表徵就通過一種快速溶劑萃取技術實現了。經過200多次的獨立實驗，總共涉及大約1500顆鐒原子，終於可以確認鐒在溶液中呈穩定的＋3價氧化態，和其它錒系元素相似。1988年，通過使用陽離子交換色譜法對擁有較長半衰期的鐒-260原子進行了首次關於Lr3+離子半徑的測定，其精確度隨後被提高到0.0881 ± 0.0001納米。

根據西博格提出的錒系元素概念，在元素周期表上將5f元素（原子序數Z= 89-103）作為一個新的過渡序列放在鑭系元素正下方的位置。那麼鐒就是最後一個錒系元素並且在鑥的正下方。然而，儘管——或者說由於——最近對鐒和鑥的研究取得了進展，卻出現了關於它們在周期表上位置的爭論[3]：鐒應該是在f區、d區還是p區呢？

通過類比鑥的[氙] 4f146s25d1電子結構，鐒的電子構型預計應該是[氡] 5f147s26d1。這種構型可以將這兩個元素置於d區的鈧和釔下方——四個元素間相似的化學性質可以佐證這一觀點。然而因為相對論效應，鐒的7p1/2軌道預計會穩定在6d軌道的下方，所以其電子構型應該是——[氡] 5f147s27p1/21，這表明把鐒放在p區也不違和。

最近，我們研究組使用高效表面離子源連同與質量分離器耦合的單原子檢測系統[4]，成功測定了鐒的第一電離能。令人驚訝的是，僅需要4.96 eV這麼低的能量，就能使電中性的原子脫掉一個電子——竟比鈉還要容易。這使得第103號元素成為最易電離的錒系元素，且與[氡]5f147s27p1/21電子構型的預測非常吻合。

儘管如此，這些測量結果不僅可以證明鐒是一個f區錒系元素，也可以證明它是一個d區過渡金屬或是一個p區元素，這就使得關於它在元素周期表上位置的問題愈加撲朔迷離。總之，關於鐒的爭論仍將繼續。