鑪

鑪（Rutherfordium），化学符号为Rf，原子序数104，属于过渡金属之一，念lú。鑪是一种人工合成的放射性元素，不出现在自然界中，但可以在实验室内产生，是为纪念新西兰物理学家欧内斯特•卢瑟福而以他命名的。其最稳定的已知同位素为Rf，半衰期约为1.3小时。在元素周期表中，鑪位于d区块，是第一个锕系后元素。鑪属于第7周期、4族。化学实验已证实，鑪是比同为4族的铪较重的化学同系物。人们对鑪的化学特性了解不全。鑪与其他的4族元素相似，不过某些计算指出，由于相对论性效应，它可能会具有很不同的化学属性。位于前苏联和美国加州的实验室在1960年代分别制造出少量的鑪。由于双方发现鑪的先后次序不清，因此苏联和美国科学家们对其命名产生了争议；直到1997年国际纯粹与应用化学联合会才将鑪作为该元素的正式名称。

中文名：鑪

英文名：Rutherfordium

化学式：Rf

原子数：104

分子量：261g/mol

熔点：1100k

沸点：5800k

密度：23g/cm²

CAS：登录号：53850-36-5

1、简介

257Rfg,m衰变能级图

鑪是一种人工合成的放射性化学元素，它的化学符号是Rf，它的原子序数是104，属于过渡金属之一。

1964年，前苏联杜布纳实验室用加速到113-115MeV的氖-22核轰击钚-242靶，用显微镜测量了一个特殊的玻璃容器内的裂变轨迹，宣布合成了半衰期为0.3±0.1秒，质量数为260的104号元素，并命名为Kurchatovium(Ku)。

1969年，美国的柏克来加州大学宣布用71MeV的碳-12轰击锎-249，得到-鑪257和-鑪258，前者的半衰期为4-5秒，释放α粒子衰变为半衰期为105秒的锘-253。在同一核熔合反应中，还发生释放3个中子得到鑪-258，半衰期为0.01秒。他们还用和69MeV的碳-13轰击锎-249得到-鑪259，半衰期为3-4秒，释放α粒子衰变为半衰期为185秒的锘-255。

当时的美国实验室没有能力加速氖-22，因而没有能力证实杜布纳实验室的发现。鉴于证实存在鑪-257和鑪-259的事件有数千次，而杜布纳实验室的结果未能得到重复，近年IUPAC决议定名原104号元素为“鑪”，以纪念新西兰物理学家卢瑟福。但在1970年，美国人用氮-15轰击锎-249确实得到了鑪-260。

已知鑪的最稳定同位素为-鑪263，半衰期约10分钟，它释放α粒子衰变为锘-257，也可以发生自发裂变。1998年德国Mainz大学E.Strub等报道，鑪和上两个周期的锆和铪一样，生成四氟化鑪，氧化态为+IV。由于锕系元素最后一个元素的最高氧化态已经降为+III，因而有理由相信鑪是锕系后的周期系第四副族元素。

2、发现历程

位于杜布纳（当时位于前苏联）的联合核研究所于1964年宣布首次发现鑪。研究人员以氖-22离子撞击钚-242目标，把产物与四氯化锆（ZrCl4）反应后将其转变为氯化物，再用温度梯度色谱法把鑪从产物中分离出来。该团队在一种具挥发性的的氯化物中探测到自发裂变事件，该氯化物具有类似于铪的较重同系物的化学属性。其半衰期数值最初并没有被准确量度，但后来的计算则指出，衰变产物最可能为鑪-259：

242

94Pu+22

10Ne→264−x

104Rf→264−x

104RfCl4

1969年，美国加州大学伯克利分校以碳-12离子撞击锎，确定性地合成了鑪，并测量了Rf的α衰变：

249

98Cf+12

6C→257

104Rf+4n

在美国进行的实验于1973年得到独立证实，其中通过观测Rf衰变产物（锘-253）的K-αX光，确实了鑪为母衰变体。

3、命名争议

伊格尔·瓦西里耶维奇·库尔恰托夫

第104号元素以誉为原子核物理学之父的新西兰物理学家、化学家欧内斯特·卢瑟福命名。该元素最初建议以誉为苏联原子弹之父的苏联原子核物理学家伊格尔·瓦西里耶维奇·库尔恰托夫命名。

俄方科学家建议使用Kurchatovium作为该新元素命名，而美方科学家则建议使用Rutherfordium。1992年，IUPAC/IUPAP超镄元素工作组（TWG）评审了发现报告后，认为双方是同时合成了第104号元素的，所以双方应该共同享有这份名誉。

美国的团队其后回复了TWG，并称TWG过分重视杜布纳团队的研究结果。他们也指出，俄方团队曾在过去20年以内多次修改其报告细节，俄方对此没有否认。他们还强调，TWG过于看重俄方团队所进行的化学实验，并指责TWG的委员会成员缺乏足够的资历。TWG随后回应，称已经审视过美方提出的各项意见，并认为没有理由撤回先前有关发现顺序的结论。IUPAC最终使用了美国团队所提出的名称（Rutherfordium），这可能反映了其实际改变了决定。

苏联的团队称其首次探测到该新元素，因此建议将其命名为Kurchatovium（Ku）以纪念伊格尔·库尔恰托夫，其曾经领导过苏联原子弹计划。东方集团国家的教科书都使用Kurchatovium作为该元素的正式命名，而中文则译为“鑪"。美国的团队则提议用Rutherfordium（Rf）为新元素的命名，以纪念原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福。在确认正式命名之前，国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAC）使用临时系统命名Unnilquadium（Unq）。该名称源自数字1、0和4的拉丁文写法。1994年，IUPAC建议使用Dubnium作为104号元素的名称，因为Rutherfordium已被建议作为106号元素的名称，而IUPAC也认为应该承认杜布纳团队对此领域研究的贡献。然而，这时104至107号元素的名称都具有争议。1997年，有关的团队解决了纷争，并最终采用了现名Rutherfordium（中文译为鑪）。

4、制取过程

鑪等超重元素的合成方法是将两种较轻的元素通过粒子加速器相互高速撞击，并以此产生核聚变反应。多数鑪同位素都可以用这种方法合成，但某些较重的同位素则目前只在原子序更高的元素的衰变产物当中发现。

根据所用能量的高低，核合成分为“热”和“冷”两类。在热核聚变反应中，低质量、高能的发射体朝着高质量目标（锕系元素）加速，产生处于高激发能的复核（约40至50MeV），再裂变或蒸发出3至5颗中子。在冷核聚变反应中，聚变所产生的复核有着低激发能（约10至20MeV），因此这些产物的裂变可能性较低。复核冷却至基态时，会只射出1到2颗中子，因此产物的含中子量更高。冷核聚变一词在此指的不是在室温下发生的核聚变反应（见冷核聚变）。

热核聚变

位于杜布纳的研究团队在1964年首次尝试合成鑪，所用的热核聚变反应将氖-22发射体撞击钚-242目标：

242

94Pu+22

10Ne→264-x

104Rf+xn(x=3,5).

在首次研究中，他们探测到两次半衰期分别为0.3秒和8秒的自发裂变事件。前者之后被撤回，而后者则源自Rf同位素。1966年，该团队重复进行了这条反应，并对具挥发性的氯化物产物进行了化学研究。他们辨认出一种挥发性氯化物，其属性与铪的较重化学同系物相似，并以自发裂变快速衰变。这是产生了RfCl4的有力证据。尽管其半衰期没有被准确地测量出来，但是之后的证据指出产物最有可能是Rf。团队在接下来的几年之内多次重复进行实验，并于1971年把该同位素的自发裂变半衰期确定为4.5秒。

1969年，以阿伯特·吉奥索为首，位于加州大学的团队尝试证实杜布纳团队所公布的结果。在一次锔-248和氧-16之间的反应中，他们未能证实杜布纳团队的结果，但却探测到Rf的自发裂变，其半衰期只有10至30ms：

248

96Cm+16

8O→260

104Rf+4n.

1970年，美国团队又再次研究了这条反应，但这次使用氧-18作为发射体，并探测到Rf的自发裂变，半衰期长达65秒（之后修正为75秒）。之后在加州劳伦斯伯克利国家实验室进行的实验得出一种短半衰期的Rf同核异构体（其进行自发裂变，半衰期为47ms）及长半衰期的自发裂变事件，后者不确定地指向Rf。

吉奥索的团队也研究了锎-249与碳-13之间的反应，并合成了短半衰期的Rf（其在11ms后进行自发裂变）：

249

98Cf+13

6C→258

104Rf+4n

在转用碳-12之后，他们更首次观测到Rf的α衰变。

杜布纳的团队于1977首次研究锫-249和氮-14之间的反应，并于1985年证实产生了Rf同位素，该同位素在28ms之后进行自发裂变：

249

97Bk+14

7N→260

104Rf+3n.

1996年，劳伦斯伯克利国家实验室在进行钚-244和氖-22的核聚变反应时，观测到了同位素Rf：

244

94Pu+22

10Ne→266-x

104Rf+xn(x=4,5).

研究团队将半衰期确定为2.1秒，而不是先前报告中的47ms，这意味着两个半衰期值可能是源自Rf的两种同核异构体的。杜布纳的团队也研究了该反应，并于2000年观测到Rf的α衰变及Rf的自发裂变。

杜布纳团队于2000年首次公布了使用铀目标体的热核聚变反应：

238

92U+26

12Mg→264-x

104Rf+xn(x=3,4,5,6).

他们观测到Rf和Rf的衰变，之后又观测到Rf的衰变。在一系列利用铀目标体的实验中，劳伦斯伯克利国家实验室的团队于2006年探测到了Rf。

冷核聚变

首次合成鑪的冷核聚变反应是于1974年在杜布纳进行的，反应将钛-50射向铅-208同位素目标：

208

82Pb+50

22Ti→258-x

104Rf+xn(x=1,2,3).

测量到的自发裂变事件源自Rf，而其后在重离子研究所（GSI）进行的实验则测量了Rf和Rf的衰变属性。

1974年，杜布纳的研究人员研究了铅-207和钛-50之间的反应，并产生了Rf。1994年重离子研究所的一项研究使用铅-206同位素，并探测到Rf和Rf。同年转用铅-204后则探测到Rf。

衰变

大部分质量数低于262的同位素都会出现于原子序更高的元素的衰变产物中，这能够使之前探测的属性有更准确的数值。较重的鑪同位素只出现在更重元素的衰变产物中。比如，自2004年起，在鐽-279衰变链中多次观测到有通过α衰变形成Rf的事件：

279

110Ds→275

108Hs+α→271

106Sg+α→267

104Rf+α.

这又继续进行自发裂变，半衰期约为1.3小时。

伯尔尼大学于1999年对-263同位素的合成进行了研究，并发现了符合通过电子捕获形成Rf的事件。产物中的鑪被分离出来，期间观测到的有长半衰期（15分钟）的自发裂变事件，以及半衰期大约为10分钟的α衰变。2010年有关Fl-285衰变链的报告中显示了5个连续的α衰变，在产生Rf之后，再进行自发裂变，半衰期为152秒。

2004年进行的实验初步显示，在Uup的衰变链中存在一种质量更高的同位素，Rf：

288

115Uup→284

113Uut+α→280

111Rg+α→276

109Mt+α→272

107Bh+α→268

105Db+α→268

104Rf+ν

e.

不过衰变链的最后一个步骤仍待确认。在5个α衰变事件产生-268之后，研究人员又观测到了长半衰期的自发裂变事件。目前未知这些事件是否来自Db的直接自发裂变，还是Db进行长半衰期的电子捕获而产生Rf。如果后者在产生后进行短半衰期的衰变，那么这两种情况是无法分辨的。

根据2007年一项有关合成Uut的报告，同位素113进行类似的衰变，并形成Db，其再进行自发裂变，半衰期为22分钟。假设没有探测到Db的电子捕获，则这些自发裂变事件就可能源自Rf，那么这个同位素的半衰期就不得而知了。

5、理化性质

已知/预测的性质

物理属性

鑪在一般状态下预计会是一种固体，其密度会很高，约为23g/cm²。相比之下，已知密度最高的元素——锇——的密度为22.61g/cm²。这是由于鑪拥有高原子量，以及由于镧系、锕系收缩和相对论性效应。实际产生足够的鑪来测量这些属性却是不切实际的，而且就算制成了，样本也会迅速衰变。鑪的原子半径预测约为150pm。相对论性效应使鑪的7s轨域具有稳定性，而6d轨域则有不稳定性，因此Rf和Rf离子会失去6d电子，而非7s电子。这是和同族的较轻元素相反的。

化学属性

鑪是第一个锕系后元素，也是第二个6d系过渡金属。对鑪以及其离子态的电离能、原子半径等属性的计算指出，鑪与铪相似，但与铅相异。人们依此推断，鑪的基本属性会和其他的4族元素（钛、锆及铪）相似。它的一些属性是通过气态及水溶化学实验而取得的。同族前两个元素的唯一稳定氧化态为+4，因此鑪也应会有+4氧化态。另外，鑪也预计会产生较不稳定的+3态。

对鑪化学属性的计算指出，相对论性效应足以使p轨域的能级比d轨域的要低，价电子排布将为6d7s7p或甚至为7s7p，因此与铪相比，铅会和鑪更为相似。然而通过更准确的计算及对鑪化合物的化学研究指出，鑪的属性与4族元素的相符。

与锆和铪相似，鑪预计会形成一种非常稳定的高熔点氧化物RfO。它会和卤素反应形成四卤化物RfX，在与水接触后会水解成氧卤化物RfOX。这些四卤化物都是具挥发性的固体，在呈气态时为单体四面体分子。

在水溶状态时，Rf离子的水解程度较Ti低，但与锆和铪的相约。鑪的卤化物与卤素离子混合时，会促进形成络离子。使用氯离子和溴离子时，反应会产生RfCl2−6和RfBr2−6。锆和铪会形成七氟及八氟络合物，因此更大的鑪离子应该可以形成RfF2−6、RfF2−7和RfF4−8。

6、同位素

鑪没有稳定或自然产生的同位素。鑪的一些同位素已在实验室中成功合成，所用方法有两种：高速撞击两种原子核以产生核聚变，或制造出更高的元素并观测其衰变产物。目前已知的同位素共有15种，质量数从253到268不等（264除外），大部分通过自发裂变进行衰变。

7、半衰期

较轻的鑪同位素一般具有较短的半衰期：Rf和Rf的为50μs。Rf、Rf和Rf更为稳定，半衰期在10ms左右；Rf、Rf、Rf和Rf的半衰期介乎1至5秒，而Rf、Rf和Rf则较稳定，半衰期分别为1、1.5和10分钟。最重的同位素最为稳定，其中Rf的约为1.3小时。

低质量的同位素有两种生成方式：两种原子直接经过核聚变产生，或作为更重元素的衰变产物。通过直接核聚变产生的最重的同位素为Rf，比其质量更高的同位素则只在其他元素的衰变产物中出现，其中已证实的只有Rf一种。同位素Rf和Rf也曾被发现于衰变产物中，半衰期可能分别长达10小时和6小时，但它们是通过系统化研究间接探测的。虽然Rf仍待发现，但预计半衰期长达1小时。在被发现之前，Rf曾被预测拥有13小时的长半衰期，但实际只有2.5分钟。

1999年，位于美国加州伯克利的科学家宣布成功合成3颗118原子。他们称这些原子核先后射出7颗α粒子，并形成Rf原子核，但在2001年撤回了这一项结果。

8、同核异构体

最初有关合成Rf的研究指出，该核素主要是以自发裂变方式衰变的，半衰期为10至20分钟。近期对Hs同位素的研究也同时产生了Rf原子，其半衰期较短，约为8秒。这两种衰变方式意味着存在两种不同的同核异构体，但由于观测到的事件太少，未能确定同核异构体的属性。

在利用Pu(Ne,5n)Rf这条反应研究鑪同位素的合成时，人们发现反应的产物进行了8.28MeV的α衰变，半衰期为78秒。之后重离子研究所在研究鎶和Hs的合成时，却得到了不同的数据：衰变链中的Rf进行8.52MeV的α衰变，半衰期为4秒。后来的结果指出，该核素主要进行裂变。这些矛盾使人们对鎶的合成产生了怀疑。第一种同核异构体为Rf（或直接记为Rf），第二种为Rf（或记为Rf）。不过，一般认为前者属于高自旋基态，而后者则属于低自旋亚稳态。同核异构体Rf的发现及确认最终使鎶的发现在1996年得到了肯定。

对利用Pb(Ti,n)Rf这条反应的详细光谱分析确认了Rf的一种同核异能态。分析发现Rf有着具15条α谱线的复杂光谱，并算出了两种同核异构体的能级结构图。类似的同核异构体也被发现存在于Rf中。

9、实验化学

气态

早期对鑪的化学研究主要集中于使用气态热力色谱法及对相对沉积温度吸附曲线的测量。最早在这一方面的研究是由杜布纳进行的，他们希望以此确认鑪的发现。这些实验使用了Rf同位素。实验假设鑪是第一个6d系元素，因此会形成四氯化物。四氯化鑪比四氯化铪（HfCl4）挥发性更高，因为其中的化学键更似共价键。

一系列的实验已经证实，鑪具有典型的4族元素特性，会形成RfCl4和RfBr4，以及一种氯氧化物RfOCl2。在使用固态而非气态的氯化钾时，所产生的RfCl4的挥发性降低了。这表示产生了不挥发的K2RfCl6混合盐。

水溶态

鑪的电子排布预计为5f6d7s，因此会具有铪的4族同系物的属性。它会在强酸中形成Rf水合离子，并在氢氯酸、氢溴酸或氢氟酸中形成络合物。

至今最具确定性的鑪水溶化学研究是由日本原子能研究所进行的，使用的为Rf放射性同位素。实验分别用鑪、铪、锆及钍在氢氯酸中进行提取，并证实了鑪不具备锕系元素的特性。在和其同系物对比之下，鑪能够肯定地归为4族元素。在氯离子溶液中，鑪会形成六氯化鑪络离子，这与铪和锆相似。

Rf+6Cl→

在氢氟酸中的情况类似。鑪对氟离子的亲和力较弱，并会形成六氟化鑪络离子，而铪和锆则在同样的氟离子浓度下产生了七氟甚至八氟络离子：

Rf+6F→