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。[10]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。[11]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。[11][12]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[13]，被称为复合原子核，非常不稳定。[11]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，[14]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。[14]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。[15][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。[17]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。[17]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。[20]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。[17]
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。[21]超重元素[22]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。）[17] 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
𬭳原称106号元素，首次于1974年在阿伯特·吉奥索和E. Kenneth Hulet的带领下，利用劳伦斯伯克利国家实验室的超重离子直线加速器合成出来。[34]他们用18O离子撞击249Cf目标，并产生出新的核素263Sg。该核素进行放射衰变，半衰期为0.9 ± 0.2秒。
命名
发现106号元素的美国团队提出将新元素命名为seaborgium（Sg），以纪念美国化学家格伦·西奥多·西博格。他是该团队的成员之一，并在多个锕系元素的发现中都作出了重要的贡献。这个名称引起了争议。IUPAC所用的临时名称为unnilhexium（Unh），根据IUPAC元素系统命名法。1994年，一个IUPAC委员会提出将元素命名为rutherfordium（104号元素的现称），并规定元素不能以在世的人物命名。[35]美国化学学会强烈抗议这项规定。他们指出，在阿尔伯特·爱因斯坦在世时命名的einsteinium（锿）已经设下了先例，而且调查显示化学家们对西博格仍然在世并没有意见。鉴于国际上对104至107号元素名均存在较大分歧，1997年8月27日IUPAC在协商后正式对101至109号元素的重新英文定名，𬭳的英文现称seaborgium得到了IUPAC的采用及国际上的承认。[36]
推算的特性
经过推算，𬭳是6d系过渡金属的第3个元素，也是元素周期表中6族的最重元素，位于铬、钼和钨以下。该族的所有元素都呈现出+6氧化态，其稳定性随着元素的重量而增加。因此𬭳估计会有稳定的+6态。这个族的稳定+5和+4态也在较重的元素中呈现出来；除铬(III)以外，该族的+3态是还原性的。
𬭳的许多化学特性都是通过同族较轻元素的反应中推算出来的，如从钼和钨。钼和钨很容易形成三氧化物MO3，所以𬭳也应该会形成SgO3。已知的MO3氧化物能溶于碱当中，并形成氧离子，因此𬭳也应形成𬭳酸盐离子SgO42−。另外，WO3能与酸反应，意味着SgO3也会是两性的。钼的氧化物MoO3会与水汽反应，产生氢氧化物MoO2(OH)2，所以SgO2(OH)2也是可能形成的。同族较重的元素容易形成具挥发性和不稳定的六卤化物MX6（X=Cl,F）。只有钨形成不稳定的六溴化钨WBr6。因此，SgF6和SgCl6都是可能形成的化合物，其继承钨的特性有可能表现在六溴化物SgBr6的更高稳定性上。这些卤化物在氧和水汽中都是不稳定的，并会立即形成具挥发性的氧卤化物MOX4和MO2X2。故此SgOX4（X=F,Cl）和SgO2X2（X=F,Cl）应该会形成。在水溶状态下，它们和氟离子形成各种氧氟络负离子，例如MOF5−和MO3F33−。𬭳也预计会形成类似的络合物。
实验化学
最初研究𬭳化学的实验主要是通过对挥发性氧氯化物进行气态热力色谱法。𬭳原子首先在这条反应中产生： 248Cm(22Ne,4n)266Sg，加热后与O2/HCl混合物反应。产生出的氧氯化物的吸附属性在测量之后与钼和钨作对比。结果显示，𬭳形成了挥发性氧氯化物，与其他6族元素相似：
2001年，一组人员继续研究𬭳的气态化学。他们把𬭳与O2在H2O环境下反应。情况与形成氧氯化物时相近，实验结果显示形成了氢氧化氧𬭳，该反应在较轻的6族元素中是常见的。[40]
在水溶状态下，𬭳的化学与钼和钨的相近，会形成稳定的+6氧化态。𬭳首先在HNO3/HF溶液中被稀释成正离子交换树脂，可能形成中性的SgO2F2或络负离子[SgO2F3]−。0.1 M的HNO3溶液无法稀释𬭳，而相比之下钼和钨则可以。这意味着[Sg(H2O)6]6+的水解最多进行到络正离子[Sg(OH)5(H2O)]+为止。
𬭳除了+6价外，目前唯一已知的氧化态为0。在2014年，𬭳被发现了羰基配合物Sg(CO)6，和同族形成的Cr(CO)6、Mo(CO)6、W(CO)6类似。Sg(CO)6是挥发性的化合物，和二氧化硅接触迅速反应。[41]
化合物及络离子
| 公式 | 名称 |
|---|---|
| SgO2Cl2 | 氧氯化𬭳 |
| SgO2F2 | 氧氟化𬭳 |
| SgO3 | 三氧化𬭳 |
| SgO2(OH)2 | 氢氧化氧𬭳 |
| [SgO2F3]− | trifluorodioxoseaborgate(VI) |
| [Sg(OH)5(H2O)]+ | aquapentahydroxyseaborgium(VI) |
| Sg(CO)6 | 六羰基𬭳 |
冷核聚变
本节有关以冷核聚变反应合成𬭳原子核。这些过程在低激发能（约10至20 MeV，因而称为“冷”核聚变）生成复核，裂变之后存活几率较高。处于激发状态的原子核再衰变至基态，期间只发出一颗或两颗中子。
位于前苏联杜布纳联合核研究所由格奥尔基·弗廖罗夫领导的团队在1974年首次利用冷核聚变反应尝试合成𬭳。他们宣布制造出一次0.48秒长的自发裂变，并指向259Sg。根据后期证据，他们很可能当时探测到260Sg及其衰变产物256Rf两者的衰变反应。The TWG的结论为，根据当时的证据不足以作出任何结论。[42]
该团队在1983至1984年再次研究这条反应，并探测到5秒长的自发裂变，并直接指向260Sg。[42]
2000年12月，位于法国国家大型重离子加速器的团队研究了该反应，并探测到10颗261Sg原子及2颗260Sg原子。
在优化设施之后，重离子研究所人员在2003年使用金属铅目标测量了1n激发函数。同年5月，他们成功把铅-208目标替换成更耐损耗的硫化铅（PbS）目标，从而能够在日后使用更强的离子束。他们探测了1n、2n和3n激发函数，并首次在261Sg同位素上运用α-γ光谱法。他们探测到这个同位素的大约1600个原子，还辨认到新的α光谱线，量度了更准确的半衰期以及辨认出新的电子捕获和自发裂变支链。另外，他们首次探测到了来自衰变产物𬬻的K壳层X光，并改进了有关260Sg的数据，包括一个不确定的同核异构体。这项研究在2005年9月和2006年3月也有继续进行。对261Sg的累积数据于2007年发布。[44]2005年9月的工作也包括开始对260Sg进行光谱分析。
位于劳伦斯伯克利国家实验室的团队最近研究了这条反应，从而对同位素261Sg进行分析。他们探测到一个新的同核异构体261mSg，其通过内部转换衰变到基态。在同一项实验中，他们也证实了衰变产物257Rf的K壳层同核异构体257m2Rf。[45]
位于杜布纳的团队在1974年研究了这条反应，结果与先前使用铅-208目标时相同。自发裂变活动最先指向259Sg，但之后改为指向260Sg或256Rf，或两者皆是。在1983至1984年的进一步工作中探测到5秒长的自发裂变，指向衰变源260Sg。[42]
重离子研究所的团队首次在1985年利用母子体衰变关系法研究了该反应。他们确定探测到259Sg，其为2n中子蒸发通道产物。[43]
这条反应在2005年3月再一次被使用。研究用硫化铅目标对偶-偶同位素260Sg进行光谱分析。
杜布纳团队在1974年研究了该反应。他们用它来判断使用Pb-207和Pb-208目标时所观察到的自发裂变行为的源头。他们并没有探测到任何自发裂变，意味着产生的同位素主要进行α衰变。[42]
在1974年一系列冷核聚变反应中，杜布纳的团队也研究了该反应，但同样没有探测到自发裂变。[42]劳伦斯伯克利国家实验室在2006年研究发射物同位旋的效应以及复核原子量对蒸发残余量的影响，当中再次研究了这条反应。他们在测量1n激发函数时，辨认出259Sg和258Sg。[46]
在1974年一系列冷核聚变反应中，杜布纳的团队也研究了该反应，但同样没有探测到自发裂变。[42]1994年，重离子研究所的团队利用这条反应合成𬭳，从而研究新发现的偶-偶同位素258Sg。他们探测到10颗258Sg原子，其进行了自发裂变。
热核聚变
本节有关以热核聚变反应合成𬭳原子核。这些过程在高激发能（约40至50 MeV，因而称为“热”核聚变）生成复核，裂变及拟裂变之后存活几率较低。处于激发状态的原子核再衰变至基态，期间发出3至5颗中子。
对该反应的首次研究是由日本原子能研究所的科学家于1998年进行的。他们探测到一次自发裂变，当时不确定地指向新同位素264Sg或由263Sg经过电子捕获后形成的263Db。[47]2006年，重离子研究所和劳伦斯伯克利国家实验室同时研究了该反应，并使用了母子体衰变关系法。劳伦斯伯克利的团队测量了4n、5n和6n通道的激发函数，而重离子研究所的团队则观察到额外的3n通道活动。[48][49][50]两组人员都辨认出新同位素264Sg，其在短半衰期内进行了自发裂变。
1993年，位于杜布纳由Yuri Lazarev带领的团队宣布发现了半衰期较长的266Sg和265Sg，都是经过这条反应在4n和5n通道中产生的。这是在寻找可进行化学研究的𬭳同位素之后得到的成果。报告中指出，266Sg以8.57 MeV的能量放射α粒子，半衰期约为20秒。这为Z=108，N=162闭核的稳定性理论提供了证据。[51]1997年，重离子研究所进一步研究了该反应。尽管他们确认了266Sg的产量、衰变模式及半衰期，但是一些矛盾之处仍然存在。在最近进行的对270Hs的合成实验中（见𬭶）发现，266Sg只进行短半衰期的自发裂变（TSF = 360 ms）。有可能这是其基态（266gSg），而另一个直接产生的活动则指向高旋的K同核异构体266mSg。要证实这一点需要进一步的实验。
最近在重新评估265Sg和266Sg的衰变特性后，得出的结论为，至今所有衰变都源自具有两种同核异构体的265Sg。其一是265aSg，其主要的α线位于8.85 MeV，计算出的半衰期为8.9秒；而265bSg的衰变能量为8.70 MeV，半衰期为16.2秒。直接产生时，两个同核异构能级同时存在。从269Hs的衰变数据中能看出，265bSg是在269Hs衰变时产生的，并会衰变至短半衰期的261gRf同位素。这意味着266Sg其实并非放射α粒子的长半衰期同位素，它实际上在短时间内就会进行裂变。
无论源头是哪一个同位素，研究人员最近成功使用这条反应来研究𬭳的化学属性（见下）。
劳伦斯伯克利和劳伦斯利福摩尔国家实验室的合作团队在1974年首次成功合成了𬭳。[34]在成功时所用的实验中，他们利用了新的母子体关系法辨认出新同位素263Sg。1975年，橡树岭国家实验室的团队证实了这些衰变数据，但未能辨认出一致的X光，因此未能证明𬭳确实被合成了。1979年，位于杜布纳的团队通过探测自发裂变来研究了这条反应。相比从伯克利得出的数据，他们计算出263Sg的自发裂变支链为70%。原先成功的合成反应在1994年终于被劳伦斯伯克利的另一个团队证实。[52]
作为衰变产物
𬭳的同位素也是某些更高元素衰变中的产物。下表列出至今为止的观测：
| 蒸发残余 | 𬭳同位素 |
|---|---|
| 291Lv, 287Fl, 283Cn | 271Sg |
| 285Fl | 269Sg |
| 271Hs | 267Sg |
| 270Hs | 266Sg |
| 277Cn, 273Ds, 269Hs | 265Sg |
| 271Ds, 267Ds | 263Sg |
| 270Ds | 262Sg |
| 269Ds, 265Hs | 261Sg |
| 264Hs | 260Sg |
| 同位素 | 发现年份 | 发现所用反应 |
|---|---|---|
| 258Sg | 1994年 | 209Bi(51V,2n) |
| 259Sg | 1985年 | 207Pb(54Cr,2n) |
| 260Sg | 1985年 | 208Pb(54Cr,2n) |
| 261gSg | 1985年 | 208Pb(54Cr,n) |
| 261mSg | 2009年 | 208Pb(54Cr,n) |
| 262Sg | 2001年 | 207Pb(64Ni,n)[53] |
| 263mSg | 1974年 | 249Cf(18O,4n)[34] |
| 263gSg | 1994年 | 208Pb(64Ni,n)[53] |
| 264Sg | 2006年 | 238U(30Si,4n) |
| 265Sg | 1993年 | 248Cm(22Ne,5n) |
| 266Sg | 2004年 | 248Cm(26Mg,4n) |
| 267Sg | 2004年 | 248Cm(26Mg,3n)[54] |
| 268Sg | 未知 | |
| 269Sg | 2010年 | 242Pu(48Ca,5n)[55] |
| 270Sg | 未知 | |
| 271Sg | 2003年 | 242Pu(48Ca,3n)[55] |
如同其他高原子序的超重元素，𬭳的所有同位素都具有极高的放射性，寿命短暂，非常不稳定。目前已知的𬭳同位素有12个（不包括亚稳态及K旋同核异构体）。半衰期最长的是269Sg，这个同位素会进行α衰变和自发裂变，半衰期大约为14分钟。半衰期最短的是261mSg，会进行内部转变。其半衰期为92微秒。
同核异构体
最初的研究辨认出一次8.63 MeV的α衰变，半衰期约为21秒，并指向266Sg的基态。之后的研究辨认出一个以8.52和8.77 MeV能量进行α放射的核素，其半衰期约为21秒。这对偶-偶核素来说是罕见的。近期有关合成270Hs的工作辨认出266Sg进行自发裂变，半衰期只有360毫秒。最近对277Cn和269Hs的研究为265Sg和261Rf的衰变带来了新的信息。结果指出，原先的8.77 MeV活动应该指向265Sg。因此，自发裂变是源自基态的，而8.52 MeV的活动则是源自高旋的K同核异构体的。要证实这一切则仍需要更多的实验。最近重新评估数据后的结论指出，8.52 MeV的活动应该指向265Sg，而266Sg只会进行裂变。
直接合成265Sg的实验产生了4条α线：8.94、8.84、8.76和8.69 MeV，半衰期为7.4秒。对产自277Cn和269Hs衰变的265Sg的观测指出，8.69 MeV的α线可能与半衰期约为20秒的一个同核异构能级有关。这个能级很可能就是混淆指向266Sg或265Sg的原因，因为两者均能够衰变为进行裂变的𬬻同位素。
对数据的重新评估指出，确实存在两种同核异构体。一种的主要衰变能量为8.85 MeV，半衰期为8.9秒；第二种衰变能量为8.70 MeV，半衰期为16.2秒。
成功合成263Sg的反应产生了一条能量为9.06 MeV的α线。[34]在观察271gDs、271mDs和267Hs衰变产生的263Sg之后，研究人员证实了以9.25 MeV的α放射进行衰变的同核异构体。同时9.06 MeV的衰变也被证实了，并指向半衰期为0.3秒的基态。9.25 MeV的活动指向半衰期为0.9秒的同核异构能级。
最近合成271g,mDs的数据当中有关267Hs衰变的结果存在怪异之处。其中一次衰变中，267Hs衰变为263Sg，再进行α衰变，半衰期约为6秒。该活动仍没有确切的同核异构体源头，要得出结论就需要更多的研究。
撤回的同位素
1999年声称合成293Uuo时，同位素269Sg被辨认为其一衰变产物。它以α放射进行衰变，半衰期为22秒。这次发现在2001年被撤回。[56]该同位素最终于2010年成功被合成。
- ^ 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[5]或112。[6]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。）[7]（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。[8]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。[9]
- ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[16]
- ^ 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。[18]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。[19]
- ^ 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。[23]
- ^ 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。[24]2018年，LBNL首次直接测量了超重原子核的质量，[25]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）。[26]
- ^ 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。[27]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。[28]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。[16]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。[28]
- ^ 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。[29]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。[30]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。[30] 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，[31]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）。[32]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。[32]但由于其广泛使用，“nobelium”这个名称仍然保持不变。[33]
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