鋦 (Cm)

發現史

發現: 1944 · Glenn Theodore Seaborg

雖然過去的核反應實驗中很可能已經產生了鋦元素，但是要直到1944年，伯克利加州大學的格倫·西奧多·西博格、拉爾夫·A·詹姆斯（Ralph A. James）和阿伯特·吉奧索等人才首次專門合成並分離出鋦。他們的實驗使用了1.5米直徑迴旋加速器。鋦的化學辨認是在芝加哥大學的冶金實驗室（現阿貢國家實驗室）進行的。它是第三個被發現的超鈾元素，但在元素週期表中卻是第四個超鈾元素（當時仍未發現鋂）。鋦的合成過程如下：首先將硝酸鈽溶液塗在面積約為0.5 cm2的鉑薄片上，蒸發後的殘留物經退火轉換為二氧化鈽（PuO2）。二氧化鈽在迴旋加速器中受照射之後，產物溶於硝酸中，再用濃氨水沉澱為氫氧化物。沉澱物溶於過氯酸，再用離子交換分離出鋦的某個同位素。由於鋦的分離過程十分繁複，以致發現團隊最初稱其為Pandemonium（希臘文中意為「群魔殿」或「地獄」）。1944年7至8月，239Pu經α粒子撞擊後，產生了鋦-242同位素，並釋放了一顆中子：94 239 P u + 2 4 H e ⟶ 96 242 C m + 0 1 n \mathrm 239\! _\ 94Pu\ +\ _24He\longrightarrow \ _\ 96242Cm\ +\ _01n科學家根據衰變時釋放的α粒子的特徵能量，確切地辨認了鋦-242：96 242 C m ⟶ 94 238 P u + 2 4 H e \mathrm 242_\ 96Cm\longrightarrow \ _\ 94238Pu\ +\ _24He這條α衰變的半衰期最初測得為150天，後改為162.8天。1945年3月進行的另一條反應又產生了240Cm同位素：94 239 P u + 2 4 H e ⟶ 96 240 C m + 3 0 1 n \mathrm 239_\ 94Pu\ +\ _24He\longrightarrow \ _\ 96240Cm\ +\ 3\ _01n該同位素的α衰變半衰期最初測得為26.8天，後改為30.4天。鋦和鋂在1944年的發現與當時旨在製造原子彈的曼哈頓計劃息息相關。有關其發現的信息一直保密到1945年

用途與應用

鋦是其中一種放射性最強的可分離元素。其兩種最常見的同位素242Cm和244Cm都是強α粒子射源（能量為6 MeV），其半衰期相對較短，分別為162.8天和18.1年，每克所釋放的功率分別為120瓦和3瓦。因此氧化鋦可被用於太空船中的放射性同位素熱電機。科學家曾研究過如何用244Cm同位素發電，而242Cm則因價格昂貴（每克約2000美元）而不能使用。鋦-243的半衰期約為30年，每克功率達到1.6瓦，故可用作燃料，但它的核衰變產物會釋放大量有害的γ和β射線。244Cm所釋放的α粒子無須大量輻射防護，但其自發裂變率很高，因此具有高中子輻射和γ輻射。相比同樣用於放射性同位素熱電機的238Pu，244Cm釋放的中子通量高出500倍；它釋放強烈的γ射線，所需的輻射防護也高出20倍。功率為1 kW的樣本需要約5 cm的鉛作防護，而238Pu只需0.1 cm的鉛。這樣的應用在目前來說是不切實際的。其中一項鋦的實際應用是利用242Cm同位素來產生心律調節器中用於發電的238Pu。如不使用這種方法，則要通過237Np的(n,γ)反應，或用氘撞擊鈾，才能形成238Pu。這些過程都會產生236Pu，而這種副產品會衰變為釋放大量γ輻射的208Tl，不適合加入心律調節器中。科學家常使用鋦來產生更重的超鈾元素和錒系後元素。用氧（18O）或鎂（26Mg）撞擊248Cm，可以產生𨭎（265Sg）和𨭆（269Hs和270Hs）。勞倫斯伯克利國家實驗室用能量為35 MeV的α粒子撞擊重數微克的鋦-242，發現了鉲元素：24296Cm + 42He → 24598Cf + 10n同位素244Cm最實際的用途是在α粒子X射線光譜儀（APXS）中作α粒子射源，但可用體積有限。火星探路者、火星車、火星96、勇氣號、火星探測漫遊者、機遇號和火星科學實驗室都使用了這種儀器來分析火星表面岩石的成份和結構。測量員5至7號月球探測器也使用了APXS，但所用的α粒子源是242Cm。APXS上裝有一個傳感器頭，裏面含有6個鋦α粒子源，其總放射性衰變率為幾十毫居禮（約十億貝可勒爾）。射源對準樣本後，儀器就會分析從樣本散射出來的

同位素

鋦約有20種已知的同位素及7種同核異構物，質量數從233到252不等。這些同位素都具有放射性，其中半衰期最長的有247Cm（1560萬年）和248Cm（348,000年）；其他長半衰期的同位素包括245Cm（8500年）、250Cm（8,300年）和246Cm（4,760年）。鋦-250較為特殊，主要以自發裂變的形式衰變（86%機率）。最常用的鋦同位素為242Cm和244Cm，半衰期分別為162.8天和18.11年。所有242Cm和248Cm之間的同位素，以及250Cm，都可以維持核連鎖反應，因此理論上能在反應爐中作核燃料之用。正如多數超鈾元素一樣，質量數為奇數的鋦同位素243Cm、245Cm和247Cm的核分裂截面特別高，都可以被用在熱中子反應爐中。然而，所有鋦同位素的混合物則只能用於快中子增殖反應爐中，因為質量數為偶數的鋦同位素在熱中子反應爐中不會裂變，並會隨燃燒度的提高而累積。當在發電反應爐中使用混合氧化物（MOX）燃料時，該燃料不應含有鋦元素。這是因為中子活化會使248Cm變為鉲，而鉲是一種強中子射源，除了會污染核燃料循環的後部，還會對反應爐操作人員造成過量輻射的危險。因此，若要使用次錒系元素（鈾和鈽以外的錒系元素）作為熱中子反應爐中的核燃料，則應從燃料中完全移除鋦元素，或將鋦置於特殊的燃料柱中作為燃料中的唯一一種錒系元素。右表列出鋦同位素做成球體，且不使用減速劑或反射器時的臨界質量。如加上金屬反射器（厚30 cm的鋼鐵），則奇數同位素的臨界質量大約為3至4 kg。如使用水（厚度約20至30 cm）作為反射器，則臨界質量可以大大下降：245Cm可降至59克，243Cm為155克，而247Cm為1550克。這些數值具有很高的不確定度。由於產量稀少，造價昂貴，目前鋦並沒有被用作核燃料。245Cm和247Cm的臨界質量很小，理論上可用於製造便攜核武器，但至今沒有相關的報導。鋦-243的半衰期很短，會產生過量熱量，因此不可用於核武器中。鋦-247的半衰期是鈽-239的647倍，因此很適合用來製造核武器。