𬭶（拼音：hēi，注音：ㄏㄟ，粤拼：hak1；英语：Hassium），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Hs，原子序数为108。𬭶是一种放射性极强的超重元素及锕系后元素，其所有同位素的半衰期都很短，非常不稳定，其中寿命最长的是269Hs，半衰期仅约16秒。德国黑森邦达姆施塔特重离子研究所的研究团队在1984年首次合成出𬭶元素，并以黑森邦命名此元素。到目前为止，多个研究通过不同的核反应，一共合成了超过100个𬭶原子，有的是母原子核，有的是更重元素的衰变产物。
超重元素[a]的原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说，两个原子核的质量之差越大，两者发生反应的可能性就越大。[12]由较重原子核组成的物质会作为靶子，被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候，才能聚变成一个原子核。原子核（全部都有正电荷）会因为静电排斥而相互排斥，所以只有两个原子核的距离足够短时，强核力才能克服这个排斥力并发生聚变。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。[13]不过，只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变：当两个原子核逼近彼此时，它们通常会在一起约10−20秒后裂变（产物不需要和反应物相同），而非形成单独的原子核。[13][14]如果聚变发生了，两个原子核产生的一个原子核会处于激发态[15]，被称为复合原子核，非常不稳定。[13]为了达到更稳定的状态，这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变，[16]或是放出一些带走激发能量的中子。如果这些激发能量不足以使中子被放出，复合原子核就会放出γ射线。这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生，并创造出更稳定的原子核。[16]联合工作团队（JWP）定义，化学元素的原子核只有10−14秒内不进行放射性衰变，才能被识别出来，这个值大约是原子核得到它的外层电子，显示其化学性质所需的时间。[17][c]
粒子束穿过目标后，会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核，它就会被这个粒子束携带。[19]在分离室中，新产生的原子核会从其它核素（原本的粒子束和其它反应产物）中分离，[d]并转移到半导体探测器中，在这里停止原子核。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[19]这个转移需要10−6秒的时间，意即这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[22]衰变被记录后，这个原子核被再次记录，并测量位置、衰变能量和衰变时间。[19]
原子核的稳定性源自于强核力，但强核力的作用距离很短，随着原子核越来越大，强核力对最外层的核子（质子和中子）的影响减弱。同时，原子核会被质子之间，范围不受限制的静电排斥力撕裂。[23]超重元素[24]的主要衰变方式——α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。[e]α衰变由发射出去的α粒子记录，在实际衰变之前很容易确定衰变产物。如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核，则可以很容易地确定反应的原始产物。[f]（衰变链中的所有衰变都必须在同一个地方发生。）[19] 已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别，例如衰变能量（或更具体地说，发射粒子的动能）。[g]然而，自发裂变会产生各种分裂产物，因此无法从其分裂产物确定原始核素。[h]
尝试合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息：粒子到达探测器的位置、能量和时间，以及粒子衰变的信息。物理学家分析这些数据并试图得出结论，确认它确实是由新元素引起的，而非由不同的核素引起的。如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论，并且对观察到的影响没有其他解释，就可能在解释数据时出现错误。[i]
发现
1984年，由彼得·安布鲁斯特和Gottfried Münzenberg领导的研究队于德国达姆施塔特重离子研究所首次进行了𬭶的合成反应。团队以58Fe原子核撞击铅目标体，制造出3个265Hs原子，反应如下：
命名
冷核聚变
未来重要的实验将会包括通过该对称反应利用裂变碎片合成𬭶同位素。这条反应曾于2007在杜布纳进行，但未探测到任何原子，截面限制为1 pb。[42]一经证实，这种对称聚变反应就应该算是热核聚变，而非一开始认为的冷核聚变。这意味着，该反应用于合成超重元素的实际用途具有限制。
该反应于2002年5月在重离子研究所进行。不过，由于锌-70粒子束的失败，实验被中断了。
1978年位于杜布纳的团队首次报告了该反应。在1984年的一次实验中，他们利用滚筒技术探测到了来自260Sg的一次自发裂变行为，而264Hs是其母同位素。[43]同年进行的重复实验中，他们用化学辨识衰变产物，从而证明了元素108的成功合成。所探测到的有253Es和253Fm的α衰变，这些都是265Hs的衰变产物。
在1984年正式发现𬭶元素的实验中，重离子研究所的团队使用了α衰变相关法，并辨认出3颗265Hs原子。[44]在1993年改进设施之后，团队在1994年重复进行了实验，并在测量1n中子蒸发通道的部分激发函数时，探测到75个265Hs原子和2个264Hs原子。[45]在1997年进行的另一次实验中，测量到的1n通道的最大值为69 pb，另探测到20个原子。[46]
理化学研究所于2002年的重复实验成功制造出10个原子，而国家大型重离子加速器于2003年制造出7个原子。
理化学院究所的团队于2008年再次研究该反应，以对264Hs作出首次的光谱分析。他们另又发现29个265Hs原子。
1984年在杜布纳进行的实验首次使用Pb-207目标。团队探测到与使用Pb-208时的实验相同的自发裂变，来自同位素260Sg，264Hs的子同位素。[36]位于重离子研究所的团队首次于1986年研究这条反应，并使用α衰变相关法发现了单个264Hs原子，截面为3.2 pb。[47]反应在1994年重复进行，同时探测到α衰变和自发裂变264Hs。
理化学研究所在2008年研究了该反应，以进行首次对264Hs的光谱分析。该团队探测到11个原子。
理化学研究所的团队在2008年首次研究了该反应，并识别出8个新发现的263Hs同位素原子。[50]
最初对𬭶原子核的合成实验使用的就是这条反应，由杜布纳的一支团队在1983年进行。他们使用滚筒技术，探测到来自255Rf的自发裂变，而该同位素是263Hs的衰变产物。1984年重复进行的实验得到同样的结果。[36]1983年的另一次实验当中，他们通过化学辨识衰变产物，从而支持𬭶的合成结果。探测到的有镄同位素的α衰变，该镄同位素是262Hs的衰变产物。这条反应之后一直没有进行尝试，因此262Hs的存在至今仍未证实。[36]
热核聚变
位于Flerov核反应实验室由Yuri Oganessian领导的团队声称在1978年曾研究过这条反应，但实验结果没有发布在任何文献当中。[36]该反应于2008年6月在同一实验室重复进行，结果探测到4个270Hs同位素原子，产量为9 pb。该同位素的衰变数据得到证实后，发现α能量稍微更高。[51]2009年1月，团队重复进行实验，再探测到2个270Hs原子。
这条反应首次再1987年于杜布纳进行。探测方式为自发裂变，但并未发现任何成功地反应，截面限制为2 pb。[36]
该反应使用罕见且昂贵的36S同位素，于2008年4月至5月在重离子研究所进行。初步结果显示，实验探测到1个270Hs原子，产量为0.8 pb。数据证实了270Hs和266Sg的衰变特性。[52]
这项实验于2009年1月至2月在重离子研究所进行，用以发现新同位素268Hs。由Nishio教授领导的团队探测到1个268Hs和1个267Hs原子。新发现的同位素经过α衰变后形成已知的264Sg同位素。
重离子研究所与保罗谢尔研究所的合作团队研究了锔-248和镁-26离子之间的反应。在2001年5月到2005年8月期间，团队研究了产生269Hs、270Hs及271Hs的3n、4n及5n中子蒸发通道的激发函数。[54][55]2006年12月，慕尼黑工业大学的科学团队发布了合成270Hs同位素的重要结果。[56]报告指出，该同位素经α衰变，能量为8.83 MeV，预计半衰期约为22秒，形成266Sg。
这条新的反应在2006年7月至8月由重离子研究所用于合成新的同位素268Hs。从中子蒸发通道未能探测到任何原子，计算的界面限制为1 pb。
| 同位素 | 发现年份 | 所用核反应 |
|---|---|---|
| 263Hs | 2008年 | 208Pb(56Fe,n) |
| 264Hs | 1986年 | 207Pb(58Fe,n) |
| 265Hs | 1984年 | 208Pb(58Fe,n) |
| 266Hs | 2000年 | 207Pb(64Ni,n) [57] |
| 267Hs | 1995年 | 238U(34S,5n) |
| 268Hs | 2009年 | 238U(34S,4n) |
| 269Hs | 1996年 | 208Pb(70Zn,n) [58] |
| 270Hs | 2004年 | 248Cm(26Mg,4n) |
| 271Hs | 2004年 | 248Cm(26Mg,3n)[来源请求] |
| 272Hs | 未知 | |
| 273Hs | 2010年 | 242Pu(48Ca,5n) |
| 274Hs | 未知 | |
| 275Hs | 2003年 | 242Pu(48Ca,3n) [59] |
| 276Hs | 未知 | |
| 277aHs | 2009年 | 244Pu(48Ca,3n) |
| 277bHs? | 1999年 | 244Pu(48Ca,3n) [59] |
待证实的同位素
同位素277Hs曾在一次自发裂变事件中被观察到，其半衰期为较长的11分钟左右。[5]在281Ds的大部分衰变过程中都未能探测到该同位素，其唯一一次被探测到是在同质异构核281bDs的未经证实的一次衰变当中。其半衰期对基态核来说很长，因此它有可能属于277Hs的一个同质异构核。另外在2009年，重离子研究所的团队观察到281aDs的α衰变分链产生了277Hs同位素，其后该同位素进行自发裂变，半衰期较短。测量到的半衰期接近基态同质异构核277aHs的预期值。要证实该同质异构核的存在，需进行进一步的研究。
撤回的同位素
劳伦斯伯克利国家实验室于1999年声称合成元素118，反应期间出现273Hs同位素核子。他们声称该同位素以能量9.78及9.47 MeV进行α衰变，半衰期为1.2秒。该发现在2001年被撤回。这一同位素最终在2010年被合成，而所记录的数据证明先前的数据是虚假的。
根据宏观微观理论，Z=108质子数是变形质子幻数，连同N=162的中子壳层。这代表这种原子核的基态是永远变形的，但其裂变位垒高而窄，造成进一步变形，因此其自发裂变部分半衰期相对较长。此区域的自发裂变半衰期比接近球体双重幻数的原子核298114小大约109倍。这是由于裂变位垒较窄，导致以量子隧穿效应穿越位垒的几率增加。另外，根据计算，N=162中子数是变形中子幻数，因此270Hs原子核很有可能是变形双重幻数核。Z=110的同位素271Ds及273Ds的衰变数据，说明N=162支壳层有可能为幻数。对269Hs、270Hs和271Hs的合成实验也指出N=162是幻数闭壳层。270Hs的低衰变能量与计算的完全相符。[60]
Z=108变形质子壳层的证据
证明Z=108质子壳层的幻数特性的证据有以下两点：
- 同中子异位素自发裂变的部分半衰期变化。
- Z=108和Z=110同中子异位素对Qα值间的大差距。
对于自发裂变，有必要测量同中子异位素核268Sg、270Hs和272Ds的半衰期。由于𬭳和𫟼的这两个同位素还是未知的，而270Hs的衰变还未经过测量，因此该方法目前能够用来证实Z=108壳层的稳定性质。但Z=108的幻数特性可以从270Hs、271Ds及273Ds的α衰变能量间的大差距中推导出。测量272Ds的衰变能量能量后能够得出更有力的证据。
同质异能核
对269Hs的直接合成产生了三条α线，于9.21、9.10及8.94 MeV。在277112的衰变当中，只观察到能量为9.21 MeV的269Hs的α衰变，表示该衰变源自同质异能核。要证实这一点则需进一步研究。
已知267Hs进行α衰变，α线位于9.88、9.83和9.75 MeV，半衰期为52 ms。在合成271m,gDs的时候，观察到额外的活动。包括一次0.94 ms，能量为9.83 MeV的α衰变，其余还有更长的约0.8 s和约6.0 s的活动。这些活动来源现时不清，需要更多的研究得到证实。
对265Hs的合成也证明两个能级的存在。基态进行能量为10.30 MeV的α衰变，半衰期为2.0 ms。其同质异能态能量比基态高300 keV，进行10.57 MeV的α衰变，半衰期为0.75 ms。
推算的化学特性
𬭶预计为过渡金属中6d系的第5个元素及8族中最重的元素，在周期表中位于铁、钌和锇之下。该族中的后两个元素表现出的氧化态为+8，而这种氧化态在族中越到下方越为稳定。因此𬭶的氧化态应为+8。锇同时还有稳定的+5、+4及+3态，其中+4态最为稳定。而钌则同时有+6、+5及+3态，当中+3态最为稳定。𬭶也因此预计拥有稳定的低氧化态。
第8族元素独特的氧化物化学使对𬭶元素特性的推算更为容易。同族较轻的元素都已知拥有或预测拥有四氧化物，MO4。一直向下，该族的氧化力逐渐下降：FeO4[61]并不存在，因为极高的电子亲合能使其形成常见的FeO42−。钌(VI)在酸中经过氧化后形成四氧化钌，RuO4，而四氧化钌经过还原反应后形成RuO42−。钌金属在空气中氧化后形成二氧化钌，RuO2。对比之下，锇燃烧后产生稳定的四氧化锇，OsO4，然后与氢氧根离子产生配合物[OsO4(OH)2]2−。因此，作为锇对下的元素，𬭶应该会形成挥发性四氧化𬭶，HsO4，再与氢氧根离子配合形成[HsO4(OH)2]2−。
𬭶预计体密度为41 g/cm3，是所有118个已知元素中最高的，几乎为锇的两倍，而锇是目前已测量的元素中密度最高的，有22.6 g/cm3。这是由于𬭶拥有高原子量，并加上镧系与锕系收缩效应和相对论性效应，但是真正制造足够𬭶元素以测量其密度是不可行的，因为样本会即刻进行衰变。[62]
实验性化学
𬭶的电子排布预计为[Rn]5f14 6d6 7s2，因此𬭶应会产生挥发性四氧化物HsO4。其挥发性是由于该分子的四面体形。
对𬭶的首次化学实验在2001年进行，运用了热色谱分析法，以172Os作为参照物。利用反应248Cm(26Mg,5n)269Hs，实验探测到5个𬭶原子。产生的原子在He/O2混合物中经过热能化及氧化后产生氧化物。
为了进一步探测𬭶的化学属性，科学家决定研究四氧化𬭶与氢氧化钠间产生的𬭶酸钠的反应。该反应是锇的一条常见反应。在2004 年，科学家公布成功进行了第一次对𬭶化合物的酸碱反应： [65]
| 公式 | 名称 |
|---|---|
| HsO4 | 四氧化𬭶 |
| Na2[HsO4(OH)2] | 𬭶酸钠、二羟基四氧𬭶酸钠 |
- ^ 在核物理学中，如果一个元素有高原子序，就可以被称为重元素。82号元素铅就是重元素的例子。“超重元素”这一词通常指原子序大于103的元素（尽管也有其它的定义，例如原子序大于100[7]或112。[8]有时这一词和锕系后元素是同义词，将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始。）[9]（那个元素的）“超重同位素”和“超重核素”顾名思义——分别是（那个元素的）高质量同位素和高质量的核素。
- ^ 2009年，由尤里·奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的136Xe + 136Xe反应，尝试合成钅黑的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子，因此对截面设置了上限，即核反应概率的度量为2.5 pb。[10]作为比较，发现钅黑的反应208Pb + 58Fe的截面约为20 pb（进一步来说，为19+19-11 pb），符合发现者的预测。[11]
- ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[18]
- ^ 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标。分离器中包含电场和磁场，它们对运动粒子的影响会因粒子的特定速度而被抵消。[20]飞行时间质谱法和反冲能量的测量也有助于这种分离，两者结合可以估计原子核的质量。[21]
- ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的。举个例子，β衰变是弱核力导致的。[25]
- ^ 由于原子核的质量不是直接测量的，而是根据另一个原子核的质量计算得出的，因此这种测量称为间接测量。直接测量也是有可能的，但在大多数情况下，它们仍然无法用于超重原子核。[26]2018年，LBNL首次直接测量了超重原子核的质量，[27]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的（位置有助于确定其轨迹，这与原子核的质荷比有关，因为转移是在有磁铁的情况下完成的）。[28]
- ^ 如果在真空中发生衰变，那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒，衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[29]这些计算也适用于实验，但不同之处在于原子核在衰变后不会移动，因为它与探测器相连。
- ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的。[30]LBL的科学家们认为自发裂变的信息不足以声称合成元素，他们认为对自发裂变的研究还不够充分，无法将其用于识别新元素，因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子，而不是质子或α粒子等带电粒子。[18]因此他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[30]
- ^ 举个例子，1957年，元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定。[31]早先没有关于该元素发现的明确声明，所以由它的瑞典、美国和英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[32]第二年，RL无法重现瑞典的结果，而是宣布他们合成了该元素，这一说法后来也被驳回。[32] JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人，并为新元素建议命名为joliotium，[33]而这个名称也没有被接受（JINR后来认为元素102的命名是仓促的）。[34]这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的，该裁决于1992年9月29日签署。[34]但由于其广泛使用，“nobelium”这个名称仍然保持不变。[35]
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