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系元素（Actinides），是周期系ⅢB族中原子序數為89～103的15種化學元素的統稱，包括錒、釷[tǔ]、鏷[pú]、鈾[yóu]、镎[ná]、钚[bù]、镅[méi]、鋦、锫[péi]、锎[kāi]、锿[āi]、鐨[fèi]、鍆[mén]、锘[nuò]、鐒[láo]，它們都是放射性元素。這些元素化學性質相近，與鑭[lán]系元素的化學性質也很類似。錒系元素中前6種元素錒、釷、鏷、鈾、镎、钚存在于自然界中，其余9種全部用人工核反應合成，合成的方式有在反應堆或核爆炸中輻照重元素靶及在加速器上用帶電粒子轟擊重元素靶等。元素周期表中鈾以后的原子序數大于92的元素稱為超鈾元素。在人工合成的錒系元素中，只有钚、镎、镅、鋦的年產量達公斤級以上，锎僅為克量級，锿以后的重錒系元素由于量極微，半衰期很短，僅應用于實驗室條件下研究和鑒定核素性質。用途比較多的只限于鈾和釷，钚在某些情況下用作核燃料

錒系元素原子結構的特點是：錒以后的元素電子依次填充5f內電子層，它們的最外層的電子構型基本相同，使錒系元素之間的性質非常相似，與鑭系金屬一樣，錒系元素中也存在著離子半徑收縮現象。其次，錒系元素與鑭系元素一樣都是金屬，他們化學性質都比較活潑。它們的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽可溶于水，氫氧化物、氟化物、硫酸鹽、草酸鹽不溶于水。大多數錒系元素能形成配位化合物。α衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性，隨著原子序數的增大，半衰期依次縮短，鈾238的半衰期為44.68億年；鐒260的半衰期只有3分鐘。錒系元素的毒性和輻射（特別是吸入人體內的α輻射體）的危害較大，必須在有防護措施的密閉工作箱中操作這些物質。

錒系元素在工業領域，醫學領域，核領域三個領域內具有重要的作用。例如，在工業領域：釷（Th）用于制作null、null和null。鈾（U）廣泛用作null，用于發電和null。鈾還可以用于陶瓷、化工和冶金行業。在醫學領域：釷（Th）的同位素被用于治療null和其他放射性治療領域。钚（Pu）被用于放射性治療和null的疼痛緩解。鋦（Cm）用于醫學診斷，透視和治療。在核領域：鈾（U）是最重要的核燃料之一，在核能發電站中被廣泛使用。錒系元素在核反應堆中可用于控制反應率和產生穩定的裂變產物。钚（Pu）也可以作為核燃料使用，但同時也是核武器的重要原料。裂變反應，放射性同位素研究，合成超重元素，核能存儲這四個都是錒系元素在核領域中非常重要的作用。鈾（U）是最重要的核燃料之一，在核能發電站中被廣泛使用。錒系元素在核反應堆中可用于控制反應率和產生穩定的裂變產物。钚（Pu）也可以作為核燃料使用，但同時也是核武器的重要原料。

發現歷史

最早發現的錒系元素

錒系元素的發展歷史可以追溯到19世紀初期。1789年從瀝青油礦中發現鈾，是錒系中第一個被發現的元素。

鈾是一種化學元素，其符號為U，原子序數為92。它是錒系元素中最重要和最廣泛應用的元素之一。鈾的發現過程可以追溯到19世紀初。1789年，德國化學家克拉普羅特（Klaproth, Martin Heinrich)首次發現了鈾的存在。他通過從礦石中提取出一種黑色粉末，并將其命名為"鈾"。隨后，其他科學家也開始研究鈾的性質。在1841年，法國化學家歐仁·安東尼·貝克勒爾（Eugene Anthony Becquere）進一步研究了鈾，并發現了鈾的放射性。接著，法國物理學家安東尼·亨利·貝克勒爾（Antoine Henri Becquere）（歐仁·安東尼·貝克勒爾（Eugene Anthony Becquere）的兒子）在1896年進一步研究了鈾的放射性。他發現，鈾能夠發出一種新的輻射，被稱為"鈾輻射"。這項發現為后來的核物理研究奠定了基礎。此后，鈾的發現引發了廣泛的研究興趣。科學家們開始深入研究鈾的性質、放射性和核反應等方面。在20世紀初，鈾逐漸被應用于核能領域，成為核能的重要燃料。

超鈾元素的發現

在1828年，瑞典化學家珀·格耐特（J?ns Jacob Berzelius）從瑞典礦石中首次分離出了一種新的元素，他將其命名為"釷"（即釷）。珀·格耐特（J?ns Jacob Berzelius）根據釷所呈現的化學性質和光譜特征，確認了這個新元素的存在。之后，其他科學家也開始對釷進行了更深入的研究。法國化學家路易·雅克·鄧布爾（Louis Jacques Thénard）于1832年首次制備了純凈的釷金屬，并進一步驗證了它的屬性和化學性質。關于釷的發現歷史涉及到眾多科學家的研究成果，其中包括格耐特、鄧布爾等的實驗和觀察。這些科學家通過實驗方法和分析技術，逐漸揭示了釷的特征和性質。

隨后陸續發現了镎（Np）、钚（Pu）和镅（Am）。镎是人類歷史上第一個被合成的超鈾元素。在1940年，美國科學家埃德溫·麥克米倫（Edwin McMillan）和菲利普·阿比爾（Philip Abelson）在加利福尼亞大學伯克利分校進行實驗時，通過轟擊镅-239（Am-239）核子，成功地合成了具有放射性的镎-238（Np-238）。這項重要的成果被發表在物理學領域的著名期刊上，并引起了廣泛的關注。隨后又發現了元素钚（Pu），钚是由人工合成而來的放射性元素。在1940年代末至1950年代初，美國洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家們首次成功合成了钚。他們使用了原子彈測試所產生的镎-239（Np-239），經過一系列核反應，最終得到了具有放射性的钚-239（Pu-239）。這項成果是為了滿足核武器研究和應用的需要而進行的，后來钚也被應用于核能領域。镅是在1944年首次被合成出來的元素。同樣是由洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家們完成的。他們通過轟擊钚-239（Pu-239）核子，成功地制備出了具有放射性的镅-241（Am-241）。此后，镅的其他同位素也得到了合成和確認。

錒系元素的完善

鈾和釷的發現為大部分其他錒系元素的制取開辟了道路。在1899年在瑪麗·居里實驗室工作的德比爾納（A.L.Debierne）發現錒，在1902年蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發現了錒。錒存在于瀝青鈾礦及其它含鈾礦物中。人工制備錒的數量極少，其在商業和科學研究方面極為有限。其名字來自于希臘文“aktinos”，意為“射線”或“光束”。此后，1913年法揚斯 (K.Fajans)和格林（O.G？hring）發現了鏷的同位素234Pa，1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)發現了231Pa。

之后，人們利用人工核反應分別合成了剩下的錒系元素，在1944年西博格(G.T.Seaborg）利用氦離子轟擊钚同位素獲得鋦，1949年湯普森(S.G.Thompson)等人用氦離子轟擊241Am獲得锫。1950年湯普森(S.G.Thompson)等人又用氦離子轟擊242Cm獲得锎。1952年，加利福尼亞大學伯克利分校的吉奧索(A.Ghiorso)等人首次從熱核爆炸的產物中發現了锿。同年，吉奧索等人又元素鐨。1955年，吉奧索(A.Ghiorso)，格倫·西奧多·西博格（Glenn Theodore Seaborg)等人用α粒子轟擊锿-253，又發現了101號元素，并以俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫（Дмитрий Иванович Менделеев）的名字將其命名為鍆。1961年，吉奧索(A.Ghiorso)等人在回旋加速器中用硼離子轟擊锎靶，得到103號元素，將其命名為鐒。1957年，在斯德哥爾摩諾貝爾研究所工作的一個科學家小組首先宣稱發現了102號元素，并將其命名為锘。

發展現狀

21世紀世界錒系各種元素的生產規模相差很大；鈾的年產量以萬噸計，釷以千噸計，钚以噸計，镎、鏷、镅以公斤計，錒、鏷、鋦、锎以克計，锎外錒系元素以毫克甚至以原子數計。

中國從上個世紀20年代就開始了對錒系放射性元素的研究，21世紀中國已制得所有的錒系元素。例如，在國家自然科學基金項目等資助下，清華大學徐超副教授團隊與李雋教授團隊合作在錒系元素镅的分離化學方面取得進展。研究團隊基于實驗和理論化學研究，以有機溶劑中制備和穩定高價態镅為突破口，將氧化性鉍物種負載到含有功能配體的有機溶劑中，通過特殊的溶劑化作用和配體的配位作用，調控镅的氧化還原電勢，從而將三價镅高效地轉化為五價镅，首次實現了常量五價镅(241Am)在有機溶劑體系中較長時間的穩定存在。借助于兩相萃取體系，成功實現了超寬酸度范圍內镅和鑭系金屬的高效分離，單級分離因子超過一萬。研究團隊還基于量子化學計算及分子動力學模擬，進一步揭示了镅在有機溶劑中的微觀氧化及穩定機制。

蘇州大學原子能院放射化學研究所在錒系元素新型分離材料研究方面也取得重要進展，成功開發了適用于強輻射場、復雜化學環境中對钚具有高選擇性的新型雙酰胺類分離材料，為中國錒系元素分離新工藝、新方法的建立提供了重要技術支撐，為我國后處理廠鈾產品深度凈化提供了新思路。

特性

結構

由于鑭系和錒系兩個系列的元素隨著原子序數的增加都只在內層軌道（相應的4f和5f軌道）充填電子，其外層軌道（相應的6s、5d和7s、6d軌道）的電子排布基本相同，因此不僅鑭系金屬和錒系元素的化學性質相似，而且每個系列內元素之間的化學性質也是相近的。

化學性質

大多數錒系元素都有以下性質：

能形成配位化合物和有機螯合物的三價陽離子；生成三價的不溶性化合物，如氫氧化物、氟化物、碳酸根和草酸鹽等；生成三價的可溶性化合物，如硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽和某些鹵化物礦物等。

在水溶液中多數錒系元素為＋3氧化數，前面幾個和最后幾個錒系元素還有不同的氧化態，如鏷有＋5氧化態；鈾、镎、镅有＋5和＋6氧化態，镎和钚還有＋7氧化態（鑭系元素中最高氧化態為+4）；锎、锿、鐨、鍆和锘等元素都有＋2氧化態。錒系與鑭系的這種差別是因為輕的錒系元素中5f電子激發到6d軌道所需能量比相應的鑭系金屬中4f電子激發到5d軌道的能量要小，使得錒系元素比鑭系元素有更多的成鍵電子，因而出現較高的氧化態；而重的錒系元素卻正好相反。

物理性質

錒系元素基本上都有金屬色澤，而且密度很大，同位素較多，原子核很不穩定，容易發成裂變、擁有半衰期。其物理性質和化學性質與鑭系元素非常相似。

比如錒為銀白色金屬，能在暗處發光；熔點1050℃，沸點3200℃，密度10.07g/cm3，立方晶系。化學性質活潑，與鑭和十分相似，可直接與多種非金屬元素直接反應；錒有較強的堿性。錒的剪切模量估計與鉛的相近。錒的放射性很強，它放射出的高能粒子足以將周圍的空氣電解，從而發出暗藍色的光。

核性質：α 衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性。隨著原子序數的增大，半衰期依次縮短。以元素中半衰期最長的同位素為例，鈾238的半衰期為4.468×109年，锎251的半衰期為898年，鐒260的半衰期僅3分鐘

制備方法

分離

錒系元素和鑭系金屬中都發現離子半徑收縮的現象，即隨著原子序數的增大，離子半徑反而減小。錒系元素中，充填最初幾個5f電子時，離子半徑收縮比較明顯，后來趨于平緩，使得這些元素的離子半徑十分接近。因此錒系元素在化學性質上的差別隨著原子序數增大而逐漸變小，以致逐個地分離錒系元素（尤其是重錒系元素）越來越困難。

溶劑萃取和離子交換是廣泛使用的分離方法，特別是在發現锫、锎、锿、鐨和鍆等元素時，離子交換色譜法曾起了重要的作用。基于離子半徑的微小差別及對各種絡合劑的不同絡合作用，錒系元素可依次從離子交換柱淋洗下來。

制備

常用的方法有兩種：

一，中子俘獲法，利用多次中子俘獲和繼發β－衰變制備鈾后元素存在兩條途徑：a，用反應堆的穩定中子流重核在反應堆穩定的中子流照射下俘獲中子，這一過程是目前能制取可稱量鈾后元素的唯一方法。但此法合成的重元素的量受放射性衰變和核裂變的競爭所限制。在鈾燃料反應堆運行過程中，逐漸形成Np、Pu、Am和Cm等輕錒系元素，從輻照后的核燃料中進行提取構成了它們的主要來源。

二、帶電粒子核反應法，利用帶電粒子轟擊高質量數的靶核，是合成鈾后元素尤其是重錒系元素的主要方法。當入射粒子的能量高于庫倫勢壘時，靶核俘獲截面大致上也有核幾何截面的數量級。形成的復合核可通過蒸發核子或裂變而釋出激發能。如果重核的裂變過程占優勢，則核合成反應截面很小。本法所能合成的新元素的原子序數最多等于靶子和單射粒子原子序數的總和。

注意錒系元素中只有钚、镎、镅和每年都能生產千克以上，鎵只有克量級，之后才能生產出少量的鈾，其半衰期很短，僅供研究之用。只有鈾和釷才有更多的用途，而钚在某些情況下可用作核燃料。

另外錒元素天然存在于鈾礦里，但含量極低。一般用以下方法來生產：在核反應堆中用中子轟擊鐳-225，將它轉化為鐳-227，后者會以42分鐘的半衰期衰變為錒的長壽命同位素錒-227。

應用

工業領域

放射性同位素的應用

錒系元素的放射性同位素廣泛應用于工業領域中的無損檢測、密封品質檢測和材料研究等方面。例如，鐳-226（Ra-226）被用于確定金屬材料的脆性和磨損程度；錒-227（Ac-227）可用于測量涂層厚度和漏洞的檢測。

光電材料

錒系元素的化合物在光電材料的制備中具有重要作用。錒系元素的化合物能夠發光、熒光以及吸收射線等特性，因此被廣泛應用于照明、顯示器件、激光器和太陽能電池等領域。

醫學領域

放射治療

錒系元素的放射性同位素被廣泛用于癌癥的治療。例如，鐳-223（類風濕性關節炎223）被用于骨轉移性前列腺癌的放射性治療，可有效減輕患者的疼痛，并延長生存期。

核醫學診斷

錒系元素的同位素在核醫學診斷中起到重要作用。例如，鈾-238（U-238）被用于放射性示蹤劑的制備，通過追蹤藥物在體內的分布情況，幫助醫生進行疾病的診斷和治療。

核領域

錒系元素主要用作核反應堆的原料，便攜式的或源；鈾和钚等是制造核武器的主要原料。人工合成的錒系元素中，只有钚、镎、镅、鋦等年產達公斤級以上，锎僅為克量級。锿以后的重錒系元素由于量極微，半衰期很短，僅應用于實驗室條件下研究和鑒定核素性質。在核能利用方面，最重要的核素有鈾233、鈾235和钚239，它們是反應堆、或其他核動力的。鈾235在自然界存在，鈾233和钚 239則分別通過釷232和鈾238俘獲中子等人工核反應生成。