锿

锿(Einsteinium)，原子序数99，是一种人工合成的放射性元素，属于锕系元素之一。它的外文命名则是用以纪念著名的犹太裔德国物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)。1952年美国科学家乔克、洛斯-阿拉莫斯(Los.Alamos)、阿贡(Argonne)和加利福尼亚大学实验室的科学家们等人等人从比基尼岛氢弹试验沉降物中首次成功提取并鉴定了锿和镄。化学性质较活泼，极易挥发。在水溶液中主要以+3价存在(绿色)。现已发现了质量数243～256的全部锿同位素，半衰期从约20秒到400天。锿-252是最稳定的同位素，它的半衰期有471.7天。

1952年，美国的洛斯-阿拉莫斯(Los.Alamos)、阿贡(Argonne)和加利福尼亚大学实验室的科学家们，从太平洋的安尼维托克岛所试验的一次核爆炸(氢弹)中的碎片中发现了锿。

在1950-1951年间，国外科学杂志中就出现报道，发现了99号元素。文章的作者叙述这种元素是用碳原子核照射镎获得的，并分别命名为 anythenium，这是为纪念希腊的首都雅典，元素符号是An。但是，它没有得到更多的证实和承认。

1952年11月1日，美国在太平洋中的安尼维托克岛(Eniwetok)上空试验爆炸了一颗氢弹，在从爆炸地点仔细地收集了几百公斤土壤中发现99号元素的同位素。

在1955年8月，在瑞士日内瓦召开的和平利用原子能国际科学技术会议中，根据人工合成这个新元素者们的建议，将99号元素命名为 einsteninium，以纪念20世纪中在原子和原子核科学中作出卓越贡献的著名物理学家爱因斯坦。99号元素符号定为E，在1957年国际纯粹和应用化学联合会的无机化学命名委员会在巴黎集会时改为Es。

锿是易挥发的金属，熔点860°C。金属锿的化学性质活泼；锂可将氟化锿还原为锿。锿是能获得可称量的最重的元素。

锿元素

锿的放射性非常强，使其自身的晶体结构迅速受辐射破坏；每克Es会通过辐射释放1000瓦的能量，足以产生肉眼可见的亮光。这也可能是锿拥有低密度、低熔点的原因。由于可用样本稀少，所以锿的熔点是通过观察在电子显微镜下对锿进行加热而推导出的。少量样本中的表面效应会降低熔点值。

锿的化合价为+2，而且具高挥发性。为了减少辐射对锿自身的破坏，大部分对固体锿及其化合物的测量都在热退火之后马上进行。某些锿化合物是在还原性气体中研究的，如H₂O+HCl用于研究EsOCl，这样化合物在分解的同时，也会重新形成。

除了辐射导致的自我破坏以外，锿的稀少和迅速衰变也对研究造成了困难。最常见的同位素Es每年只生产一到两次，每次份量不超过1毫克。每1天有3.3%的锿转变为锫，再转变为锎：

因此大部分被研究的锿样本都受到了其他物质的污染，而其本身的属性则是通过长期积累数据推导而得。其他避过污染问题的实验方法包括用可调谐激光选择性地只激发锿离子，这种方法被用于研究锿的发光属性。

对锿金属、其氧化物及氟化物磁性的研究指出，这三种物质从在液态氢中到室温中均显示出居里外斯顺磁性。推导出的Es₂O₃的有效磁矩为10.4 ± 0.3 µB，EsF₃的为11.4 ± 0.3 µB。这两个值是锕系元素中最高的，相对应的居里点分别为53和37 K。

和所有锕系元素一样，锿在化学上非常活泼。其+3氧化态在固体及水溶液中最为稳定，并呈浅粉红色。在固体中，锿还可以形成+2态。这种+2态在许多别的锕系元素中是不存在的，包括镤、铀、镎、钚、锔和锫。Es化合物可以通过使用二氯化钐还原Es来取得。气态化学研究臆测可能存在+4态，但这仍待证实。

锿已知共有19种同位素及3种同核异构体，原子量从240到258不等。它们全都具有放射性，其中最稳定的同位素为Es，半衰期为471.7天。其他较稳定的同位素包括Es（半衰期为275.7天）、Es（39.8天）及Es（20.47天）。其余所有的同位素半衰期都在40小时以下，大部分的在30分钟以下。三种同核异构体中，最稳定的为Es，其半衰期为39.3小时。

锿具有高核裂变率，因此要持续核连锁反应所需的临界质量很低。一个纯Es同位素球体的临界质量为9.89公斤，只要加上一条30厘米长的钢条或水反射层就能把临界值降到2.9甚至2.26公斤。然而，这一数值远比总共制造出的锿元素要多，其中Es的总产量则更少。

由于锿的所有同位素半衰期都很短，所以一切原始的锿核素，也就是在地球形成时可能存在的锿，至今都已全部衰变。锿也可以通过地壳中锕系元素（铀和钍）的多次中子捕获产生，但这发生的可能性极低。因此地球上几乎所有的锿都是在科学实验室、高能核反应炉或是核武器试验中产生的，并在合成后只存留不超过几年的时间。锿和镄曾在位于加蓬奥克洛的天然核反应堆中自然产生，但至今已不再形成了。

锿是在核反应堆中通过对锕系元素进行中子撞击而产生的。锿元素的主要来源是位于美国田纳西州橡树岭国家实验室的85 MW高通率同位素反应炉（HFIR），以及位于俄罗斯季米特洛夫格勒核反应器研究所（NIIAR）的SM-2环流反应器。这两个反应器都是专门用于制造超锔元素的（Z > 96）。两座设施的功率和通量相约，所以两者对超锔元素的生产量应该是相约的，但文献较少报道NIIAR所生产的超锔元素。该实验室通过对锔进行辐射，一般每次可生产数十克（1×10 g）锎、数毫克（1×10 g）锫和锿以及数皮克（1×10 g）镄。

HFIR在1961年首次制成微量的Es，样本大约重10纳克（1×10 g）。研究人员使用了一种特殊的磁秤来估计样本的重量。之后的单次产量增加到1967年至1970年的0.48毫克，然后到1971年至1973年的3.2毫克，再到1974年至1978年的每年3毫克产量。这些数值指的是刚刚完成辐射时的锿元素总量，而接着的分离过程会将纯锿的量降低大约10倍。

在实验室中合成

锿的同位素

对钚进行强烈的中子辐射能够产生4种锿同位素：Es（α衰变半衰期为20.03天，自发裂变半衰期为7×10年）、Es（β衰变半衰期为38.5小时）、Es（α衰变半衰期为276天）及Es（β衰变半衰期为24天）。另一种合成方式是以氮离子或氧离子高强度撞击铀-238。

锿-247（半衰期为4.55分钟）是以碳离子撞击镅-241，或以氮离子撞击铀-238产生的。后者在1967年于俄罗斯杜布纳进行，参与的科学家因此获得了列宁共青团奖。

同位素Es是以氘离子撞击Cf产生的。它主要以放射电子的形式进行衰变成为Cf，半衰期为25 ± 5分钟；它也会进行能量为6.87 MeV的α衰变，释放的电子数大约是α粒子数的400倍。

较重的同位素Es、Es、Es和Es能够通过对Bk照射α粒子而产生。这种过程会释放1到4颗中子，所以可以用来同时合成4中不同的同位素。

锿-253是通过对0.1至0.2毫克的Cf目标进行热中子照射产生的，中子通量为每秒每平方厘米2至5×10颗中子，照射时长为500至900个小时。

在核爆炸中合成

对1千万吨级核弹“常春藤麦克”的辐射落尘所进行的分析是一项长期项目，其目的为研究在高能核爆中超铀元素的生产效率。使用核爆的原因如下：把铀转变成超铀元素需要多重中子捕获，而捕获概率随中子通量的提升而增加。核爆炸是最强的中子源，每微秒每平方厘米能够产生10个中子（约10中子/(cm²·s)）。相比之下，高通率同位素反应炉的中子通量也只有5×10中子/(cm²·s)。埃内韦塔克环礁爆炸处随即设立起了一座实验室，以对辐射落尘进行初步分析，因为某些同位素在被送到美国本土之前，便可能已经衰变殆尽了。飞机带着滤纸在核爆之后飞过环礁的上空，并把采回的样本立即送往该实验室。起初，人们希望能够以此发现比镄更重的元素，但在1954年至1956年于该环礁进行了一系列百万吨级核试验之后，却仍没有发现这些元素。

由于相信在局限空间内的核爆可能会增加产生重元素的可能性，因此内华达试验基地（现内华达国家安全区）又在1960年代进行地底核试验，并采集数据。除了一般的铀之外，核弹还装有镅和钍与铀的混合物，以及钚与镎的混合物。试验结果产量偏少，因为装载的重元素提高了裂变率，并导致较重同位素的流失。对产物的提取分离非常困难，因为原子尘分布在地下300至600米处熔化及汽化了的岩石中，而到如此的深度钻地取样又缺乏效率。

在1962至1969年间进行的9次地底核试验中，最后一次的规模最大，而其超铀元素产量也最高。研究中最大的问题在于采集爆炸后散落在各处的辐射落尘。载有滤纸的飞机只吸附到总量的4×10，而在埃内韦塔克环礁处所采集到的量也只增加了两个数量级。在“Hutch”核试验60天后提取的500公斤岩石当中也只有总量的10。这500公斤岩石，相比在爆炸7天后取得的0.4公斤石块，其含超铀元素的量只不过高出30倍。这证明超铀元素的量与收集的岩石重量是不成正比的。为了加快样本采集的速度，人们在核试验之前就在爆炸原点钻出了若干个竖井，这样爆炸就会把足够的样本从中心通过竖井带到地表，方便采样。该方法在“Anacostia”和“Kennebec”核试验中得到尝试，并立即为研究提供了数百公斤的物质，但是其中锕系元素的浓度比通过钻地取得的样本的少三倍。这种方法虽然能够有效帮助研究存留时间短的同位素，但却无法提高整体锕系元素的产量。

尽管这一系列核试验没有再产生新的元素（除锿和镄外），而所取得的超铀元素量也不如理想，但是其总体产生的稀有重同位素的量却仍然比此前实验室中能够合成的要多。在“Hutch”核试验中取得的包括大量稀有的Cm同位素，这是很难从Cm产生的：Cm的半衰期（64分钟）相对需数个月时间的反应炉辐射来说太短，但对于核爆炸时间段来说就很长了。

洗提过程

利用色离法分离Fm（100）、Es（99）、Cf、Bk、Cm及Am。

不同的锿合成方式需要相应的分离程序。如果使用回旋加速器使轻离子对重离子进行撞击，那么重离子目标体是固定在金属薄片上的，因此产生的锿在辐射完毕后只需要从薄片上冲洗下来。不过这种方法的锿产量相对较低。使用反应器辐射法能够大大提高产量，但产物将会混有各种锕系元素的同位素，以及核裂变产生的镧系元素。从这种混合物中分离锿元素是个非常繁复的过程，须在高温高压下重复进行正离子交换，再进行色谱法。锿与锫的分离是非常重要的，因为在核反应器中产生的最稳定的锿同位素Es会衰变为Bk，半衰期只有20天。这对于多数实验来说都是个很短的时间段。要分离它们就需要用到锫的化学特性：锫能够轻易地氧化成为+4态的固体，并从溶液中沉淀出来；其他的锕系元素，包括锿，则会在溶液中保持其+3氧化态。

要在衰变产物中把三价的锕系元素从镧系元素中分离出来，可以使用正离子交换树脂柱，并注入含有90%水及10%乙醇的氢氯酸饱和溶液，作为洗提剂。其后一般使用负离子交换层析法，所用的洗提剂是浓度为6 M的氢氯酸。最后再以经铵盐处理过的正离子交换树脂柱（Dowex-50交换柱）来分离含有99、100及101号元素的分析层。根据洗提位置随时间的变化，就可以辨认这几个元素，可用的洗提剂包括α-羟基异丁酸溶液（α-HIB）。

对三价锕系元素的分离也可以通过溶剂萃取层析法进行，使用二(2-乙基己基)磷酸酯（简称HDEHP）作为静止的有机相态，并使用硝酸作为流动的水溶相态。锕系元素的洗提顺序与使用正离子交换树脂柱时的顺序相反。以这种方法分离出来的锿不含有机络化剂，而使用树脂柱分离的锿则会含有机络化剂。

锿是一种高活性元素，因此要从锿化合物中提取纯锿金属，须要使用强还原剂。其中一种方法是使用锂来还原三氟化锿：

EsF₃ + 3 Li → Es + 3 LiF

但是，由于熔点很低，而且其辐射也会迅速破坏其自身结构，所以锿的蒸气压比氟化锂还要高。这大大降低了这条反应的效率。早期的制备程序中曾尝试用过这种方法，但研究人员很快就转用镧金属来还原三氧化二锿：

Es₂O₃ + La → 2 Es + La₂O₃

锿除了在基础科学研究中用于制造更高的超铀元素及超锕系元素之外，暂无其他应用。

1955年，劳伦斯伯克利国家实验室用回旋加速器对约10个Es原子进行辐射，从而制造出钔。所用的反应Es(α,n)Md产生了17个钔原子（原子序为101）。

稀有的锿-254同位素常被用于制造超重元素，因为它质量高，半衰期较长（270天），每次可取得的量也很高（数微克）。故此，在1985年，位于美国加州伯克利的superHILAC直线加速器使用了锿-254来合成Uue（119号元素）。他们以钙-48离子撞击锿-254目标体，但没有探测到任何Uue原子。这为反应截面设下了300纳靶恩的上限。

无原子锿-254曾用于校准勘测者5号月球登陆器上的化学分析光谱仪（见α-散射表面分析仪）。由于该同位素的质量很高，因此月表上轻元素与锿-254同位素在分析仪上的信号重叠会大大减少。

有关锿毒性的数据主要来自对动物的研究。当老鼠进食了锿以后，只有大约0.01%的锿进入了血液。进入血液的锿中有65%进入了骨骼，并存留大约50年；25%进入了肺部，生物半衰期约为20年。但由于锿本身半衰期更短，所以这些数值是没有实际关系的。另外0.035%进入了睾丸或0.01%进入卵巢，并永久存留。进食的量中大约10%被排放出来。锿在骨骼表面均匀分布，这和进食了钚后的结果相同