化学元素锔：只能人工合成的放射性金属
化学元素锔：只能人工合成的放射性金属
基础信息
锔（Cm）是一种人造金属元素，原子序数为96，原子量为247，属于锕系元素。它以研究放射性的科学家玛丽·居里（Marie Curie）和其丈夫皮埃尔·居里命名。锔元素首次由伯克利加州大学的格伦·西奥多·西博格等人在1944年7月合成，但发现起初被列为机密，直到1945年11月才公布于世。
物理性质
锔是一种具有强烈放射性的银白色金属，质地坚硬且密度高。其熔点为1340℃，密度为13.15g/cm³。在室温下呈双一六方密堆积结构，而在较高温度下则呈面心立方结构。锔具有延展性，且存在α-型和β-型两种型体。
锔的磁特性非常独特。α锔在冷却至65至52 K时会转变为反铁磁性，而β锔在大约205 K时会转变为亚铁磁性。此外，锔与氮族元素的化合物在冷却后也会转变成铁磁性，例如244CmN和244CmAs在109 K时转变，248CmP在73 K时转变，248CmSb在162 K时转变。
锔的电阻率随温度变化显著：在4至60 K时大约翻倍，并从60 K到室温几乎保持恒定。由于其释放的α辐射会破坏自身的晶体结构，因此其电阻率会随时间快速提高，约10 µOhm·cm/h。这使得确定锔的绝对电阻率变得困难，目前估计约为125 µΩ·cm。锔的电阻率与钆、钚和镎相近，但比镅、铀、钋和钍高出许多。
锔在紫外线照射下，锔(III)离子会发出强烈且稳定的橘黄色荧光，极值位于590至640 nm区间内，随环境条件而变化。这种荧光特性是来自第一激发态6D7/2与基态8S7/2之间的转变。通过分析发出的荧光，可以监测有机及无机配合物中Cm(III)离子间的相互作用。
化学性质
锔的化学性质活泼，易溶于普通的无机酸中，多形成三价化合物。其化学性质与稀土元素极为相似，以242Cm和244Cm同位素最为重要。
锔在空气中，银白色金属光泽会变暗。锔的最稳定氧化态为+3，其离子在溶液中也主要呈现+3态。+4态只出现在少数固态化合物中，如CmO2和CmF4。锔的化学特性与同为锕系元素的钍和铀不同，但和镅及许多镧系元素相似。在水溶液中，Cm3+离子可以是无色或浅绿色的，而Cm4+离子则是浅黄色的。Cm3+的吸收光谱在375.4、381.2和396.5纳米波长处有尖锐的峰值，这些峰值的强度可以直接用来测量该离子的浓度。锔离子属于硬酸，因此可以和硬碱产生最稳定的配合物。两者间形成的主要为离子键，但含少量共价键的部分。配合物中的锔主要以三帽三角菱柱形配位。
锔会和氧迅速反应，主要形成Cm2O3和CmO2，另也会形成二价氧化锔：CmO。草酸锔（Cm2(C2O4)3）、硝酸锔（Cm(NO3)3）或氢氧化锔在纯氧中燃烧后可制成呈黑色的CmO2。当在真空中（约0.01 Pa压力下）加热到约600至650°C时，该氧化物会转变成呈白色的Cm2O3。
分布与制取
锔-247是锔同位素中半衰期最长的，有1560万年。因此，所有原始的锔元素，也就是在地球形成时可能存在的锔，至今都已全部衰变殆尽。锔出现在乏核燃料中，其余则是通过人工制造的，主要用于科学研究。1945至1980年大气层核试验的进行地点存有一定的锔元素。美国第一颗氢弹“常春藤麦克”（1952年11月1日于埃内韦塔克环礁引爆）的辐射落尘中，除了含有锿、镄、钚和镅之外，还有锫、锎和锔的一些同位素，其中包括245Cm、246Cm及更少量的247Cm、248Cm和249Cm。由于正值冷战时期，这些结果起初被列为军事机密，到1956年才正式公布。
大气层中的锔化合物较难溶于常见的溶剂中，但会黏附在泥土粒子上。分析表明，沙粒表面上的含锔量比其周围的水高出大约4,000倍；壤土中该比例甚至可高达18,000倍。含铀量极高的矿藏中，重元素经中子捕获和β衰变之后，可形成几颗锔原子。
锔可以通过用氦核轰击钚原子制得。其放射性如此强烈，以至于在黑暗中会闪闪发光。制备方法是用金属Th还原锔的氧化物。具体步骤是将金属钍切片与氧化锔粉末混合，填到直径为25mm的钽坩埚的底部，在混合物上方放置一简单的钽隔板，再用盖子将坩埚盖住，在坩埚上部通过一结合紧密的水冷却套环可使坩埚冷却，将此装置悬吊在置于感应线圈里的石英真空密封管中，先在氩气氛下，温度达到1100℃时进行还原反应，然后通过加热底部至约2000℃高温下(锔的蒸气压较低，在此温度时锔蒸气压与镅在1350℃时的大致一样。)使产品在真空下蒸馏，最后锔收集在还原坩埚上方的石英收集器的圆顶上。要加热整个坩埚，以避免产品冷凝在坩埚内部。
主要用途
锔在一般社会生活中极不常见，在放射化学实验及特殊的同位素能源中使用较为广泛。大部分的锔是在核反应炉中通过对铀或钚进行中子撞击产生的。每吨用尽的核燃料中含有大约20克锔。
毒性与危害
由于具有放射性，锔必须在适当的实验室中用特殊的器材处理。锔元素本身主要释放α粒子，用很薄的普通材质就可以吸收阻挡。然而锔的一些衰变产物却会释放大量β及γ辐射，因此需要更加严密的保护措施。一旦摄入体内，锔会在几天以内被排除体外，只剩余0.05%会吸收到血液内。血液中45%的锔会进入肝脏，45%进入骨骼，余下10%经排泄离开身体。骨骼中的锔会积累在与骨组织与骨髓的接触面上，而且不会随时间明显地分散。其辐射会破坏骨髓和其制造红血球的能力。锔的生物半衰期在肝脏中约为20年，而在骨骼中则为50年。锔更容易通过呼吸进入体内，其中244Cm在水溶态时的最高允许可摄入量为0.3μC。含242Cm和244Cm的溶液在经静脉注射进入老鼠的体内后，会导致其患上骨肿瘤的可能增大；经吸入后，则有可能造成肺癌和肝癌。