锔

α型锔金属的双六方密排晶体结构，层序为ABAC（A：绿色，B：蓝色，C：红）

三(氢三)吡唑基硼酸根锔(III)配合物中Cm³⁺离子经波长为396.6 nm的光照射后，发出橙色的萤光。

锔是一种放射性人工合成元素，也是质地坚硬、密度高的银白色金属。其物理和化学特性与其上方的镧系元素钆相似。锔的熔点为1340 °C，这比前面的超铀元素镎（637 °C）、钚（639 °C）和镅（1173 °C）都要高，而钆的熔点则在1312 °C。锔的沸点为3110 °C，密度为13.52 g/cm³。这比镎（20.45 g/cm³）和钚（19.8 g/cm³）的密度低，但仍比大部分金属高。锔的两种晶体结构中，α型在标准温度和压力下更稳定。其具有六方对称结构，空间群为P6₃/mmc，晶格参数a = 365 pm，c = 1182 pm，且每晶胞含四个化学式单位。[20]该晶体具有双六方密排结构，层序为ABAC，并和α镧同型。在23 GPa压力以上及室温下，α锔会转变为β锔。β型具有面心立方对称结构，空间群为Fm3m，晶格常数a = 493 pm。[20]进一步加压到43 GPa后，锔会变为属于正交晶系的γ锔结构，与α铀同型，并一直到52 GPa都不会再有相变。这三种锔的相态也被称为Cm I、II和III。[21][22]

锔的磁特性奇特。其旁边的镅元素在不同温度下都不会偏离居里外斯顺磁性，但α锔会在冷却至65至52 K时转变为反铁磁性，[23][24]而β锔在大约205 K时转变成亚铁磁性。另外，锔和氮族元素的化合物在冷却后会转成铁磁性：²⁴⁴CmN和²⁴⁴CmAs于109 K，²⁴⁸CmP于73 K，²⁴⁸CmSb于162 K。锔的镧系同类物钆以及钆的氮族元素化合物也会在冷却时转变磁性，但稍有不同：Gd和GdN变为铁磁性，而GdP、GdAs和GdSb则具反铁磁性。[25]

锔的电阻率会随温度而变化：在4至60 K时大约翻倍，并从60 K到室温几乎保持恒等。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。故此很难确定锔的绝对电阻率（约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。[6][26]

在紫外线照射下，锔(III)离子会发出强烈且稳定的橘黄色萤光，极值位于590至640 nm区间内，随环境条件而变化。[27]这种萤光特性是来自第一激发态⁶D_7/2与基态⁸S_7/2之间的转变。通过分析发出的萤光，可以监测有机及无机配合物中Cm(III)离子间的交互作用。[28]

锔的最稳定氧化态为+3，其离子在溶液中也具有+3态。[29]^:24其+4态只出现在少有的几个固态化合物中，如CmO₂和CmF₄。[30][31]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，[32]而Cm⁴⁺离子则是浅黄色的。[33]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。[29]^:25-26锔离子属于硬酸，因此可以和硬碱产生最稳定的配合物。[34]两者间形成的主要为离子键，但含少量共价键的部分。[35]配合物中的锔主要以三帽三角菱柱形配位。[36]

锔会和氧迅速反应，主要形成Cm₂O₃和CmO₂，[37]另也会形成二价氧化锔：CmO。[33]^:1972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。[31][38]当在真空中（约0.01 Pa压力下）加热到约600至650 °C度时，该氧化物会转变成呈白色的Cm₂O₃：[31][39]

${\displaystyle \mathrm {4\ CmO_{2}\ {\xrightarrow {\Delta T}}\ 2\ Cm_{2}O_{3}\ +\ O_{2}} }$

另一种制得Cm₂O₃的方法是使用氢气对CmO₂进行还原反应：[40]

${\displaystyle \mathrm {2\ CmO_{2}\ +\ H_{2}\ \longrightarrow \ Cm_{2}O_{3}\ +\ H_{2}O} }$

其他已知的氧化物还包括诸如M(II)CmO₃型的三元氧化物，其中的M表示任何一种二价金属，如钡。[41]

对含有三价锔离子的溶液注入氟离子，可产生无色的三氟化锔（CmF₃）。呈棕色的四氟化锔（CmF₄）则只能通过三氟化锔和氟气间的反应才能形成：[9]

${\displaystyle \mathrm {2\ CmF_{3}\ +\ F_{2}\ \longrightarrow \ 2\ CmF_{4}} }$

锔还可以形成A₇Cm₆F₃₁型的三元氟化物，其中的A表示碱金属。[42]

氢氧化锔(III)（Cm(OH)₃）与无水氯化氢气体反应后，会形成无色的三氯化锔（CmCl₃）。要制造其他的锔卤化物，可在约400至450 °C的高温下，使三氯化锔与对应的卤化铵盐反应。以此方法可制得三溴化锔（无色至浅绿色）及三碘化锔（无色）：[43]

${\displaystyle \mathrm {CmCl_{3}\ +\ 3\ NH_{4}I\ \longrightarrow \ CmI_{3}\ +\ 3\ NH_{4}Cl} }$

另一种方法须把氧化锔和对应的酸一起加热到600 °C（比如，要制造溴化锔，则要使用氢溴酸）。[44][45]对三氯化锔进行气态水解后，会产生氯氧化锔：[46]

${\displaystyle \mathrm {CmCl_{3}\ +\ \ H_{2}O\ \longrightarrow \ CmOCl\ +\ 2\ HCl} }$

在高温下真空中使锔与气态硫、硒或碲反应，可分别制成锔的硫化物、硒化物和碲化物。[47][48]氮族的氮、磷、砷和锑可以和锔形成化学式为CmX的化合物。[9]要制造这些化合物，可在高温下使三氢化锔（CmH₃）或金属锔与对应的氮族元素进行反应。

双(环辛四烯)合锔的预测结构

钍、镤、镎、钚和镅等锕系元素都具有类似于双(环辛四烯)合铀的金属有机配合物。分子轨道理论预测存在双(环辛四烯)合锔 (η⁸-C₈H₈)₂Cm，但至今仍待实验证明。[49][50]

延伸X光吸收细微结构（EXAFS）已证实，在含有n-C₃H₇-BTP和Cm³⁺离子的溶液中，存在Cm(n-C₃H₇-BTP)₃型的配合物，其中BTP指2,6-二(1,2,4-三嗪-3-基)吡啶。某些BTP型配合物只和锔相互作用，因此在提取锔的过程中相当有用。[27][51]溶解了的Cm³⁺离子会和许多有机化合物反应，包括异羟肟酸、[52]尿素、[53]萤光素、[54]和三磷酸腺苷等。[55]这些化合物都和各种微生物的内部活动相关。如此产生的配合物在紫外线的照射激发下，会发出强烈的橘黄色萤光。这不但使锔的探测过程更为方便，更可以通过观测半衰期的改变（约0.1毫秒数量级）及萤光光谱的变化，来研究Cm³⁺离子与配体间的交互作用。[28][52][53][54][55]

锔在生物体中没有已知的用途。[56]一些报告曾表明，细菌和古菌会吸附Cm³⁺离子，但锔并没有掺入这些生物体内。[57][58]

锔是在核反应炉中少量产生的。到目前为止，²⁴²Cm和²⁴⁴Cm的总产量只有几公斤，其余更重的同位素只有数克或甚至数毫克的总产量。故此锔的价格昂贵，每毫克160至185美元；[15]更近期的估价为：²⁴²Cm每克2,000美元，²⁴⁴Cm每克170美元。[73]在反应炉中，²³⁸U可以通过一系列的核反应形成锔。首先²³⁸U捕获一颗中子，变为²³⁹U，再经β^–衰变形成²³⁹Np和²³⁹Pu。

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$ （箭头下的时间为半衰期）

进一步捕获中子并进行β^–衰变后，样本会变为²⁴¹Am，再转换为²⁴²Cm：

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$

实际研究在制造锔的时候，并不对铀进行照射，而是用钚。乏核燃料中含有大量的钚，能够轻易地提取使用。如果使用高中子通量的辐射，能通过另一条反应链形成²⁴⁴Cm：[9]

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {4(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{243}Pu\ {\xrightarrow[{4,956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

${\displaystyle \mathrm {^{244}_{\ 96}Cm\ {\xrightarrow[{18.11\ yr}]{\alpha }}\ _{\ 94}^{240}Pu} }$

锔-244在释放α粒子后，会衰变成²⁴⁰Pu；同时它会吸收中子，产生少量更重的锔同位素。这些同位素包括²⁴⁷Cm和²⁴⁸Cm，由于半衰期很长，因此常被用于科学研究。不过，由于²⁴⁷Cm在热中子撞击下容易裂变，因此该同位素在热中子反应炉中的产率较低。[74]经中子捕获产生²⁵⁰Cm的可能性同样很低，因为中间产物²⁴⁹Cm的半衰期非常短（64分钟），并会经β^–衰变成为锫的²⁴⁹Bk同位素。[74]

${\displaystyle \mathrm {^{A}_{96}Cm\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ \ 96}^{A+1}Cm\ +\ \gamma } }$ （A = 244–248）

以上一连串的(n,γ)反应会产生不同锔同位素的混合物。合成后的分离过程十分繁复，所以科学家一般选择性地合成特定锔同位素。由于半衰期很长，锔-248最常用于研究用途。该同位素最有效率的合成方法是通过锎-252的α衰变。因为²⁵²Cf具有长半衰期（2.65年），因此容易大量取得。每年通过这种方法产生的²⁴⁸Cm大约有35至50 mg，同位素纯度为97%。[74]

${\displaystyle \mathrm {^{252}_{\ 98}Cf\ {\xrightarrow[{2.645\ yr}]{\alpha }}\ _{\ 96}^{248}Cm} }$

另一种研究常用的同位素²⁴⁵Cm可经由²⁴⁹Cf的α衰变产生，而²⁴⁹Cf可由²⁴⁹Bk的β^–衰变产生。

${\displaystyle \mathrm {^{249}_{\ 97}Bk\ {\xrightarrow[{330\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 98}^{249}Cf\ {\xrightarrow[{351\ yr}]{\alpha }}\ _{\ 96}^{245}Cm} }$

层析洗提曲线，能看出镧系的铽（Tb）、钆（Gd）和铕（Eu）与相应锕系的锫（Bk）、锔（Cm）和镅（Am）之间的相近之处。

一般的合成产物含有不同锔同位素的氧化物混合物。要分离出其中一种同位素，可以将乏核燃料（如混合氧化物核燃料）溶于硝酸中，再使用磷酸三丁酯和烃类的混合物，通过铀钚分离（PUREX）来萃取出大部分的铀和钚。然后利用二酰胺来萃取水溶残余物（残液）中剩余的镧系元素和锕系元素。产物将会是三价锕系及镧系元素的混合物。要分离出当中的锔化合物，可用多重步骤的层析法及离心法，并使用适当的试剂。[29]^:34-48其中一种可用来专门提取锔的试剂为双三嗪基二吡啶配合物。[75]如要使锔从非常相似的镅中分离出来，可将两者氢氧化物的混合浆状物置于碳酸氢钠水溶液中，并在加热后加入臭氧。大部分的镅和锔在溶液中都具有+3价态。其中镅会被氧化，形成可溶的Am(IV)配合物，而锔则不会改变，故可再重复用离心法提取出来。[29]^:25

科学家通过对锔化合物进行还原反应来取得处于金属态的锔元素。其中一种可用于制备锔金属的化合物为三氟化锔。反应必须在不含水或氧的环境下进行，使用钽和钨造的器具，并以钡或锂作为还原剂。[9][18][76][77][78]

${\displaystyle \mathrm {CmF_{3}\ +\ 3\ Li\ \longrightarrow \ Cm\ +\ 3\ LiF} }$

另一可行方法是在氯化镁和氟化镁的熔化混合物中用镁锌合金来还原二氧化锔。[79]

锔的放射性很强，在黑暗中会发出紫光。

锔是其中一种放射性最强的可分离元素。其两种最常见的同位素²⁴²Cm和²⁴⁴Cm都是强α粒子射源（能量为6 MeV），其半衰期相对较短，分别为162.8天和18.1年，每克所释放的功率分别为120瓦和3瓦。[15][80][81]因此氧化锔可被用于太空船中的放射性同位素热电机。科学家曾研究过如何用²⁴⁴Cm同位素发电，而²⁴²Cm则因价格昂贵（每克约2000美元）而不能使用。锔-243的半衰期约为30年，每克功率达到1.6瓦，故可用作燃料，但它的核衰变产物会释放大量有害的γ和β射线。²⁴⁴Cm所释放的α粒子无须大量辐射防护，但其自发裂变率很高，因此具有高中子辐射和γ辐射。相比同样用于放射性同位素热电机的²³⁸Pu，²⁴⁴Cm释放的中子通量高出500倍；它释放强烈的γ射线，所需的辐射防护也高出20倍。功率为1 kW的样本需要约5 cm的铅作防护，而²³⁸Pu只需0.1 cm的铅。这样的应用在目前来说是不切实际的。[73]

其中一项锔的实际应用是利用²⁴²Cm同位素来产生心律调节器中用于发电的²³⁸Pu。如不使用这种方法，则要通过²³⁷Np的(n,γ)反应，或用氘撞击铀，才能形成²³⁸Pu。这些过程都会产生²³⁶Pu，而这种副产品会衰变为释放大量γ辐射的²⁰⁸Tl，不适合加入心律调节器中。[82]

科学家常使用锔来产生更重的超铀元素和锕系后元素。用氧（¹⁸O ）或镁（²⁶Mg ）撞击²⁴⁸Cm，可以产生𬭳（²⁶⁵Sg）和𬭶（²⁶⁹Hs和²⁷⁰Hs）。[33]^:1980-1981劳伦斯伯克利国家实验室用能量为35 MeV的α粒子撞击重数微克的锔-242，发现了锎元素：

242
96Cm
+ 4
2He
→ 245
98Cf
+ 1
0
n

火星探测器的α粒子X射线光谱仪

同位素²⁴⁴Cm最实际的用途是在α粒子X射线光谱仪（APXS）中作α粒子射源，但可用体积有限。火星探路者、火星车、火星96、勇气号、火星探测漫游者、机遇号和火星科学实验室都使用了这种仪器来分析火星表面岩石的成份和结构。[83]测量员5至7号月球探测器也使用了APXS，但所用的α粒子源是²⁴²Cm。[69][84][85]

APXS上装有一个传感器头，里面含有6个锔α粒子源，其总放射性衰变率为几十毫居里（约十亿贝可勒尔）。射源对准样本后，仪器就会分析从样本散射出来的α粒子和质子的能谱（只有某些光谱仪有分析质子的功能）。这些能谱包含有关所有主要元素量的信息（氢、氦和锂除外）。[86]罗塞塔号的菲莱登陆器（Philae Lander）也将用APXS来探测楚留莫夫－格拉希门克彗星的表面。[87]