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鎶

原子序數為112的化學元素
注意：本頁有Unihan新版漢字：「鿔、鿭、𫓧、𫟷、𫟼、𬬭」，這些字元可能會錯誤顯示，詳見Unicode擴充漢字。

鎶（ㄍㄜ）（英語：Copernicium），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為Cn，原子序數為112。鎶是一種放射性極強的超重元素及錒系後元素，所有同位素的半衰期都很短，非常不穩定，其最長壽的已知同位素為285Cn，半衰期為28秒。鎶不出現在自然界中，只能在實驗室內以粒子加速器人工合成。截至目前，科學家用不同的核反應共合成出了75個鎶原子。除了基礎科學研究之外，鎶沒有任何實際應用。

鎶 112Cn
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
汞
↑
鎶
↓
(Uhb)
錀 ← 鎶 → 鉨
概況
名稱·符號·序數鎶（Copernicium）·Cn·112
元素類別過渡金屬
族·週期·區12·7·d
標準原子質量[285]
電子組態[Rn] 5f14 6d10 7s2
2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
鎶的電子層（2, 8, 18, 32, 32, 18, 2）
鎶的電子層（2, 8, 18, 32, 32, 18, 2）
歷史
發現重離子研究所（1996年）
物理性質
物態液體（預測）[1][2]
密度（接近室溫）
23.7 g·cm−3
沸點357+112
−108 K，84+112
−108 °C，183+202
−194 °F
原子性質
氧化態4, 2, 1, 0
（預測[3][4][5]）
游離能第一：1154.9 kJ·mol−1
第二：2170.0 kJ·mol−1
第三：3164.7 kJ·mol−1
（更多）
原子半徑147 pm
共價半徑122 pm
（預測[6]）
雜項
晶體結構六方密排
（預測）[7]
CAS編號54084-26-3
同位素
主條目：鎶的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
283Cn 人造 3.81 秒[10] α 9.520[11] 279Ds
SF –
285Cn 人造 30 秒 α 9.15, 9.03? 281Ds

在元素週期表中，鎶位於d區，是第7週期、第12族的成員。鎶和金的化學反應顯示，它是一種極易揮發的金屬，在標準狀況下可能是揮發性液體甚至氣體，並似乎具有惰性氣體的屬性，和同族的汞相似，完全具有12族中的最重元素的應有屬性。

計算顯示，鎶的某些性質和第12族中較輕的同族元素鋅、鎘和汞有較大的差異。最顯著的不同就是鎶會在失去7s電子層前先失去兩個6d層的電子。因此，根據相對論效應，鎶會是一種過渡金屬。通過計算，科學家還發現鎶能呈穩定的+4氧化態，而汞則僅能在極端條件下呈+4態，鋅和鎘則不能呈+4態。科學家也精確地預測了鎶從游離態到化合態所需的能量。

位於德國達姆施塔特重離子研究所（GSI），由西格･霍夫曼（英語：Sigurd Hofmann）和維克托·尼諾夫領導的研究團隊在1996年首次合成出鎶。其名稱得自提出日心說的波蘭天文學家尼古拉·哥白尼。

概論

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這個部分摘自：超重元素 § 概論[編輯]

超重元素的合成

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核融合反應的圖示。兩個原子核融合成一個，並發射出一個中子。在這一刻，這個反應和用來創造新元素的反應是相似的，唯一可能的區別是它有時會釋放幾個中子，或者根本不釋放中子。
外部影片連結
  基於澳大利亞國立大學的計算，核融合未成功的可視化[12]

超重元素[a]的原子核是在兩個不同大小的原子核[b]的聚變中產生的。粗略地說，兩個原子核的質量之差越大，兩者就越有可能發生反應。[18]由較重原子核組成的物質會作為靶子，被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候，才能聚變成一個原子核。原子核都帶正電荷，會因為靜電排斥力而相互排斥，所以只有兩個原子核的距離足夠短時，強核力才能克服這個排斥力並發生聚變。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。[19]施加到粒子束上以加速它們的能量可以使它們的速度達到光速的十分之一。但是，如果施加太多能量，粒子束可能會分崩離析。[19]

不過，只是靠得足夠近不足以使兩個原子核融合：當兩個原子核逼近彼此時，它們通常會融為一體約10−20秒，之後再分開（分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同），而非形成單一的原子核。[19][20]這是因為在嘗試形成單個原子核的過程中，靜電排斥力會撕開正在形成的原子核。[19]每一對目標和粒子束的特徵在於其截面，即兩個原子核彼此接近時發生聚變的概率。[c]這種聚變是量子效應的結果，其中原子核可通過量子穿隧效應克服靜電排斥力。如果兩個原子核可以在該階段之後保持靠近，則多個核相互作用會導致能量的重新分配和平衡。[19]

兩個原子核融合產生的原子核處於非常不穩定，[19]被稱為複合原子核（英語：compound nucleus）的激發態。[22]複合原子核為了達到更穩定的狀態，可能會直接裂變，[23]或是放出一些中子來帶走激發能量。如果激發能量太小，無法放出中子，複合原子核就會放出γ射線來帶走激發能量。這個過程會在原子核碰撞後的10−16秒發生，並創造出更穩定的原子核。[23]原子核只有在10−14秒內不衰變，IUPAC/IUPAP聯合工作小組才會認為它是化學元素。這個值大約是原子核得到它的外層電子，顯示其化學性質所需的時間。[24][d]

衰變和探測

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粒子束穿過目標後，會到達下一個腔室——分離室。如果反應產生了新的原子核，它就會存在於這個粒子束中。[26]在分離室中，新的原子核會從其它核種（原本的粒子束和其它反應產物）中分離，[e]到達半導體探測器（英語：Semiconductor detector）後停止。這時標記撞擊探測器的確切位置、能量和到達時間。[26]這個轉移需要10−6秒的時間，因此原子核需要存在這麼長的時間才能被檢測到。[29]若衰變發生，衰變的原子核被再次記錄，並測量位置、衰變能量和衰變時間。[26]

原子核的穩定性源自於強核力，但強核力的作用距離很短，隨著原子核越來越大，強核力對最外層的核子（質子和中子）的影響減弱。同時，原子核會被質子之間，範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。[30]強核力提供的核結合能以線性增長，而靜電排斥力則以原子序數的平方增長。後者增長更快，對重元素和超重元素而言變得越來越重要。[31][32]超重元素理論預測[33]及實際觀測到[34]的主要衰變方式，即α衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。[f]幾乎所有會α衰變的核種都有超過210個核子，[36]而主要通過自發裂變衰變的最輕核種有238個核子。[34]有限位勢壘在這兩種衰變方式中抑制了原子核衰變，但原子核可以隧穿這個勢壘，發生衰變。[31][32]

 
基於在杜布納聯合原子核研究所中設置的杜布納充氣反衝分離器，用於產生超重元素的裝置方案。在檢測器和光束聚焦裝置內的軌跡會因為前者的磁偶極（英語：Magnetic dipole）和後者的四極磁體（英語：Quadrupole magnet）而改變。[37]

放射性衰變中常產生α粒子是因為α粒子中的核子平均質量足夠小，足以使α粒子有多餘能量離開原子核。[38]自發裂變則是由靜電排斥力將原子核撕裂而致，會產生各種不同的產物。[32]隨著原子序數增加，自發裂變迅速變得重要：自發裂變的部分半衰期從92號元素鈾到102號元素鍩下降了23個數量級，[39]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[40]早期的液滴模型因此表明有約280個核子的原子核的裂變勢壘（英語：Fission barrier）會消失，因此自發裂變會立即發生。[32][41]之後的核殼層模型表明有大約300個核子的原子核將形成一個穩定島，其中的原子核不易發生自發裂變，而是會發生半衰期更長的α衰變。[32][41]隨後的發現表明預測存在的穩定島可能比原先預期的更遠，還發現長壽命錒系元素和穩定島之間的原子核發生變形，獲得額外的穩定性。[42]對較輕的超重核種[43]以及那些更接近穩定島的核種[39]的實驗發現它們比先前預期的更難發生自發裂變，表明核殼層效應變得重要。[g]

α衰變由發射出去的α粒子記錄，在原子核衰變之前就能確定衰變產物。如果α衰變或連續的α衰變產生了已知的原子核，則可以很容易地確定反應的原始產物。[h]因為連續的α衰變都會在同一個地方發生，所以通過確定衰變發生的位置，可以確定衰變彼此相關。[26]已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別，例如衰變能量（或更具體地說，發射粒子的動能）。[i]然而，自發裂變會產生各種分裂產物，因此無法從其分裂產物確定原始核種。[j]

嘗試合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息，即原子核到達探測器的位置、能量、時間以及它衰變的信息。他們分析這些數據並試圖得出結論，確認它確實是由新元素引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核種確實是新元素的結論，且對觀察到的現象沒有其它解釋，就可能在解釋數據時出現錯誤。[k]

歷史

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發現

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位於德國達姆施塔特重離子研究所（GSI），由西格·霍夫曼和維克托·尼諾夫領導的研究團隊在1996年首次合成出鎶元素。他們在重離子加速器中用高速運行的70鋅原子束轟擊208鉛目標體，獲得一顆半衰期僅為0.24毫秒的277Cn原子（另一顆被擊散）。製取該元素的核反應方程式為：

 

2002年重離子研究所重複相同的實驗，再次得到一個鎶原子。2004年，日本一家研究機構也合成出了兩個鎶原子[54]。

名稱

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國際純化學與應用化學聯盟（IUPAC）在經過長期驗證後，於2009年6月正式承認第112號元素的合成，並隨後邀請霍夫曼領導的團隊為112號元素提出一個永久名稱。2009年7月17日，該團隊提議將112號元素命名為Copernicium，縮寫Cp，以紀念著名天文學家哥白尼（Copernicus）。他們稱，將其命名為Cp的原因，是由哥白尼所提出的日心說與化學中的原子結構（盧瑟福模型）有很多相似之處。

Cp這個名稱當時未獲得IUPAC的正式承認。IUPAC在此後6個月的時間內進行審議，聽取科學界的意見，並於2010年1月公布審議的結果。[55]2009年9月，《自然》雜誌上的一篇文章[56]指出符號Cp曾用於鎦元素（Lutetium）的舊稱（Cassiopeium），現在在配位化學中亦用於指環戊二烯（茂，Cyclopentadiene）配位體。根據目前IUPAC對元素的命名規則，新元素的提議名稱是不得與其他元素名稱或符號重複的。考慮到上述情況，為了避免歧義，IUPAC已把提議中的符號Cp改為Cn（Copernicium）。[57]

2010年2月19日，德國重離子研究所正式宣布，經國際純粹與應用化學聯合會確認，由該所人工合成的第112號化學元素從即日起獲正式名稱「Copernicium」，相應的元素符號為「Cn」。[58]

在台灣，此元素之中文名稱由國立編譯館化學名詞審議委員會和中國化學會名詞委員會開會討論後決定命名為鎶[59]。

中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會於2012年1月確定了鎶（讀音同「哥」）的簡體中文名稱，獲國家語言文字工作委員會批准後進入國家規範用字。[60][61]

同位素與核特性

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主條目：鎶的同位素
鎶的同位素列表
同位素 半衰期[l] 衰變方式 發現年份 發現方法
數值 來源
277Cn 0.79 ms [34] α 1996年 208Pb(70Zn,n)
281Cn 0.18 s [62] α 2010年 285Fl(—,α)
282Cn 0.83 ms [10] SF 2003年 290Lv(—,2α)
283Cn 3.81 s [10] α, SF, EC? 2003年 287Fl(—,α)
284Cn 121 ms [63] α, SF 2004年 288Fl(—,α)
285Cn 30 s [34] α 1999年 289Fl(—,α)
285mCn[m] 15 s [34] α 2012年 293mLv(—,2α)
286Cn[m] 8.45 s [64] SF 2016年 294Lv(—,2α)

目前已知的鎶同位素共有7個，質量數分別為277和281-286，此外鎶-285還有已知但未確認的亞穩態。[65]鎶的同位素全部都具有極高的放射性，半衰期極短，非常不穩定，且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定，其中最長壽的同位素為鎶-285，半衰期為28秒。除了鎶-285外，其他壽命較長的同位素有鎶-283（半衰期4秒）和未經證實的鎶-285m（15秒）及鎶-286（8.45秒），剩下的同位素半衰期皆短於1秒。大多數鎶同位素主要發生α衰變，有些則會發生自發裂變，此外鎶-283也有機率發生電子捕獲。[66]

根據預測，更重的未發現同位素鎶-291和鎶-293可能具有相對極長的半衰期，長達數十年以上，因為理論上它們預計位於穩定島的中心附近，並且有機會在超新星的R-過程中生成，並在宇宙射線中檢測到，儘管它們的含量大約僅為鉛的10-12倍。[67]

化學屬性

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推算的化學屬性

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氧化態

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鎶是6d系的最後一個過渡金屬，是元素週期表中12族最重的元素，位於鋅、鎘和汞下面。科學家預測，鎶與其他較輕的12族元素在屬性上有顯著差異。由於7s電子軌域的穩定加上相對論效應，6d軌域較不穩定性，因此Cn2+離子的電子組態很可能是[Rn]5f146d87s2，這和同族元素是不同的。在水溶液中，鎶很可能形成+2和+4氧化態，後者更穩定。在較輕的12族元素中，+2氧化態是最常見的，而只有汞能呈+4氧化態，但極少見。唯一一個已知的四價汞化合物（四氟化汞，HgF4）也只能在極端條件下存在。[68] 類似的鎶化合物CnF4、CnO2預計將更加穩定。雙原子離子Hg2+
2中汞具有+1態，但是Cn2+
2離子預計將不穩定，甚至不存在。[69]

實驗化學

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原子氣態

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鎶有基態電子組態為[Rn]5f146d107s2，所以根據構造原理，鎶應該屬於週期表的12族。因此，它的屬性應表現為汞的較重同族元素，可與金等貴金屬形成二元化合物。鎶的化學實驗主要研究鎶在不同溫度下在金箔表面的吸附作用，從而計算出吸附焓值。由於7s軌域電子相對穩定，鎶表現出類似氡的屬性。實驗同時形成了汞和氡的放射性同位素，這使科學家能夠比較這些元素的吸附特性。

最初的化學實驗使用了238U(48Ca,3n)283Cn反應。實驗檢測到目標同位素的自發裂變，半衰期為5分鐘。分析數據表明，鎶的揮發性比汞高，並似乎具有惰性氣體的屬性。然而，由於未能確定283Cn同位素的發現，因此科學家對這些化學實驗結果是持著疑問的。2006年4月至5月，Flerov核研究實驗室和保羅謝爾研究所的聯合團隊在聯合核研究所進行了鈇的合成實驗：242Pu(48Ca,3n)287Fl，並在衰變產物中對283Cn進行研究。該實驗明確探測到兩個283Cn原子，並發現鎶和金會產生弱金屬-金屬鍵。這意味著鎶是具高揮發性的汞同類物（英語：congener (chemistry)），明確屬於12族。

2007年4月，科學家重復進行了這條反應，又合成了三個283Cn原子。該實驗證實了鎶的吸附特性，結果表示鎶完全具有12族中的最重元素的應有屬性。[4]

注釋

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  1. ^ 在核物理學中，原子序高的元素可稱為重元素，如82號元素鉛。超重元素通常指原子序大於103（也有大於100[13]或112[14]的定義）的元素。有定義認為超重元素等同於錒系後元素，因此認為還未發現的超錒系元素不是超重元素。[15]
  2. ^ 2009年，由尤里·奧加涅相引領的團隊發表了他們嘗試通過對稱的136Xe + 136Xe反應合成𨭆的結果。他們未能在這個反應中觀察到單個原子，因此設置截面，即發生核反應的概率的上限為2.5 pb。[16]作為比較，發現𨭆的反應208Pb + 58Fe的截面為19+19
    -11     pb。[17]
  3. ^ 施加到粒子束以加速它的能量也會影響截面。舉個例子，在28
    14    Si
     + 1
    0    n
     → 28
    13    Al
     + 1
    1    p
    反應中，截面會從12.3 MeV的370 mb變化成18.3 MeV的160 mb，最高值是13.5 MeV的380 mb。[21]
  4. ^ 這個值也是普遍接受的複合原子核壽命上限。[25]
  5. ^ 分離基於產生的原子核會比未反應的粒子束更慢地通過目標這一點。分離器中包含電場和磁場，它們對運動粒子的影響會因粒子的特定速度而被抵消。[27]飛行時間質譜法（英語：Time-of-flight mass spectrometry）和反衝能量的測量也有助於分離，兩者結合可以估計原子核的質量。[28]
  6. ^ 不是所有放射性衰變都是因為靜電排斥力導致的，β衰變便是弱核力導致的。[35]
  7. ^ 早在1960年代，人們就已經知道原子核的基態在能量和形狀上的不同，也知道核子數為幻數時，原子核就會更穩定。然而，當時人們假設超重元素的原子核因為過於畸形，無法形成核子結構。[39]
  8. ^ 超重元素的原子核的質量通常無法直接測量，所以是根據另一個原子核的質量間接計算得出的。[44]2018年，勞倫斯伯克利國家實驗室首次直接測量了超重原子核的質量，[45]它的質量是根據轉移後原子核的位置確定的（位置有助於確定其軌跡，這與原子核的質荷比有關，因為轉移是在有磁鐵的情況下完成的）。[46]
  9. ^ 如果在真空中發生衰變，那麼由於孤立系統在衰變前後的總動量必須保持守恆，衰變產物也將獲得很小的速度。這兩個速度的比值以及相應的動能比值與兩個質量的比值成反比。衰變能量等於α粒子和衰變產物的已知動能之和。[36]這些計算也適用於實驗，但不同之處在於原子核在衰變後不會移動，因為它與探測器相連。
  10. ^ 自發裂變是由蘇聯科學家格奧爾基·弗廖羅夫發現的，[47]而他也是杜布納聯合原子核研究所的科學家，所以自發裂變就成了杜布納聯合原子核研究所經常討論的課題。[48]勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家認為自發裂變的信息不足以聲稱合成元素，他們認為對自發裂變的研究還不夠充分，無法將其用於識別新元素，因為很難確定複合原子核是不是僅噴射中子，而不是質子或α粒子等帶電粒子。[25]因此，他們更喜歡通過連續的α衰變將新的同位素與已知的同位素聯繫起來。[47]
  11. ^ 舉個例子，1957年，瑞典斯德哥爾摩省斯德哥爾摩的諾貝爾物理研究所錯誤鑑定102號元素。[49]早先沒有關於該元素發現的明確聲明，所以瑞典、美國、英國發現者將其命名為nobelium。後來證明該鑑定是錯誤的。[50]次年，勞倫斯伯克利國家實驗室無法重現瑞典的結果。他們宣布合成了該元素，但後來也被駁回。[50]杜布納聯合原子核研究所堅持認為他們第一個發現該元素，並建議把新元素命名為joliotium，[51]而這個名稱也沒有被接受（他們後來認為102號元素的命名是倉促的）。[52]由於nobelium這個名稱在三十年間已被廣泛使用，因此沒有更名。[53]
  12. ^ 不同的來源會給出不同的數值，所以這裡列出最新的數值。
  13. ^ 13.0 13.1 未確認的同位素

參考資料

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  1. ^ Soverna S 2004, 'Indication for a gaseous element 112,' （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） in U Grundinger (ed.), GSI Scientific Report 2003, GSI Report 2004-1, p. 187, ISSN 0174-0814
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  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Hoffman, Darleane C.; Lee, Diana M.; Pershina, Valeria. Transactinides and the future elements. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (編). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 1-4020-3555-1. 
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參考書目

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外部連結

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