锕系元素

锕系元素是第89号元素锕到103号元素铹共15种放射性元素的统称。锕系元素位於元素週期表第7週期的鐳與鑪之間，位於鑭系元素下方，但通常為了避免週期表形狀過寬影響觀看，而將鑭系和錒系元素移至週期表下方獨立列出。锕系元素可用符号An來表示。

除了屬於d區的鐒之外，所有錒系元素都是f區元素，錒系元素原子基态的电子排布是5f0~146d0~27s2，其新增加的电子大多填入从外侧数進來的第三个电子层（即5f电子层）中，所以锕系元素又可以称为5f系，不過也有許多較輕的錒系元素將電子填入6d亞殼層。由于锕系元素都是金属，故可和镧系元素统称为f区金属。为了区别于周期表中的d区过渡元素，故又将锕系元素及镧系元素合称为内过渡元素。

由於較輕的錒系元素有許多電子填充不規則的情形，故它們的化合價有較多的變化，彼此之間的相似度從而沒有鑭系元素間來的高，其中釷、鏷和鈾的化學性質更類似於過渡金屬，錼和鈽則介於過渡金屬和鑭系元素之間。而較重的錒系元素則表現出和鑭系元素相似的性質，以+3價為最穩定的氧化態（鍩除外）。

1789年德国馬丁·克拉普羅特从沥青铀矿中发现铀，它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现钍、锕和镤。铀以后的元素（即超鈾元素）都是在1940年后用人工核反应合成的，屬於人造元素。不過也有部分超鈾元素最初是通過人工合成的方式發現，但是後來在自然界中，也發現有痕跡量的存在，包括錼和鈽。

所有錒系元素都具有放射性，並在衰變時以游離輻射的形式釋放能量。天然存在的鈾和釷以及人工合成產生的鈽是目前地球上存量最豐富的錒系元素。鈾和鈽被廣泛用於核能發電及核武器，鈾和釷在當前及歷史上也有許多和放射性無關的用途，鋂則被用作大多數現代煙霧探測器的游離輻射源。

由於鐒在週期表中屬於d區，而其他錒系元素位於f區，因此有人認為鐒應該是過渡金屬而非錒系元素。但為了方便敘述，現今仍習慣將其與錒系合稱。參見鑭系元素中關於鎦的地位的爭議，以及有關3族元素定義的爭論。

性質
錒系元素皆為银灰色有光泽的典型金屬，密度大，大多數質地较软，可塑性相對較高，其中一些可以用刀切割。錒系元素皆具有順磁性及放射性。除錒之外，錒系元素都有多種晶相：鈽有七種，鈾、錼和鉲有三種。鏷、鈾、錼和鈽的晶體結構在鑭系元素中沒有明確的類似物，反而更類似於3d系過渡金屬。
| style="background:#ddd;"| 氧化態
| 錒 || 釷 || 鏷 || 鈾 || 錼 || 鈽 || 鋂 || 鋦 || 鉳 || 鉲 || 鑀 || 鐨 || 鍆 || 鍩 || 鐒
|-
| +2|| || || || || || || || || || || || Fm2+ || Md2+ || No2+ ||
|-
| +3|| Ac3+
| style="background:#00f;"| Th3+
| style="background:#007;"| Pa3+
| style="background:#c0b;"| U3+
| style="background:#b0d;"| Np3+
| style="background:#50f;"| Pu3+
| style="background:#fa9;"| Am3+
| Cm3+
| style="background:#cf0;"| Bk3+
| style="background:#0c0;"| Cf3+
| style="background:#fdd;"| Es3+
| Fm3+
| Md3+
| No3+
| Lr3+
|-
| +4|| || Th4+
| style="background:#ffd;"| Pa4+
| style="background:#0f0;"| U4+
| style="background:#cf0;"| Np4+
| style="background:#d60;"| Pu4+
| style="background:#fd0;"| Am4+
| style="background:#ffd;"| Cm4+
| style="background:#ffa;"| Bk4+
| style="background:#0c0;"| Cf4+
|
|
|
|
|
|-
| +5|| ||
| **'
| style="background:#ff88ff;"| **'
| style="background:#0c0;"| **'
| style="background:#d17;"| **'
| style="background:#ff0;"| **'
|| || || || || || || ||
|-
| +6|| || ||
| style="background:#ff0;"| **'
| style="background:#fbb;"| **'
| style="background:#fa7;"| **'
| style="background:#ff5;"| **'
|| || || || || || || ||
|-
| +7|| || || ||
| style="background:#4a4;"| **'
| style="background:#44aa88;"| **'
| style="background:#4a4;"| **'
|| || || || || || || ||
|}

File:U Oxstufen.jpg|鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
File:Np ox st .jpg|錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
File:Plutonium in solution.jpg|鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液

存在及合成
地殼中含量最豐富的錒系元素為釷和鈾，豐度分別為16ppm和4ppm。它們兩者具有長半衰期的同位素，因此能在地殼中以穩定的量存在。主要的含鈾礦物有瀝青鈾礦、釩酸鉀鈾礦和鈣鈾雲母等，而釷主要分布在獨居石、方釷石和等礦物中，大多數含釷礦物中皆含有鈾和大量的稀土元素。

鏷和錒主要在各種放射性礦物中作為釷和鈾的衰變產物生成，含量甚微，且錒的化學性質與礦石中的鑭系元素（尤其是鑭）甚為相似而難以提取、分離，因此兩者通常是從用過核燃料中提煉，或在核反應爐中人工合成。

超鈾元素大多不存在於自然界中，必須透過核反應爐或粒子加速器人工合成，只有部分較輕的元素如錼和鈽等以痕量存在於鈾礦中，是鈾的核嬗變產物。自二戰以來的多次核武器試驗已將至少六種比鈽重的人造超鈾元素釋放到環境中，包括鋂、鋦、鉳、鉲、鑀和鐨。

用途
錒系元素的主要用途是核能發電及核武器，例如鈾和鈽等。不過也有部分錒系元素在日常生活中得到了應用，例如游離煙霧探測器中的鋂和煤氣燈中的釷等。至於原子序較大的重錒系元素由於製備的難度較高，且較不穩定，因此只用於學術研究，而沒有實際用途。

核能應用中最重要的同位素是铀-235，用於熱中子反應爐。天然铀里铀-235的占比僅為0.72%。它會强烈吸收热中子，然后放出大量能量。铀-235核子吸收中子后，会裂变成2个较轻的核子和2至3颗中子，如：
: + ⟶ + + 3

1克235U的一次裂变行为转换为大约1MW/天。重要的是,发射的中子多于吸收的中子; 达到临界质量时，进入自动链锁反应。

Other promising actinide isotopes for nuclear power are thorium-232 and its product from the thorium fuel cycle, uranium-233.

Emission of neutrons during the fission of uranium is important not only for maintaining the nuclear chain reaction, but also for the synthesis of the heavier actinides. Uranium-239 converts via β-decay into plutonium-239, which, like uranium-235, is capable of spontaneous fission. The world's first nuclear reactors were built not for energy, but for producing plutonium-239 for nuclear weapons.

釷除了用作煤氣網罩的材料之外

钚元素的主要用途是制造核武器，尤其是可以裂变的钚-239。它的临界质量是铀-235的1/3。

胖子原子彈(the fat guy)是鈽原子彈，以曼哈頓計劃中所生產的高濃度濃縮鈽為材料，以中子撞擊鈽原子啟動整個鏈式反應 Thus only 6.2 kg of plutonium was needed for an explosive yield equivalent to 20 kilotons of TNT. (See also Nuclear weapon design.) Hypothetically, as little as 4 kg of plutonium—and maybe even less—could be used to make a single atomic bomb using very sophisticated assembly designs.

Plutonium-238 is potentially more efficient isotope for nuclear reactors, since it has smaller critical mass than uranium-235, but it continues to release much thermal energy (0.56 W/g) by decay even when the fission chain reaction is stopped by control rods. Its application is limited by the high price (about US$1000/g). This isotope has been used in thermopiles and water distillation systems of some space satellites and stations. So Galileo and Apollo spacecraft (e.g. Apollo 14) had heaters powered by kilogram quantities of plutonium-238 oxide; this heat is also transformed into electricity with thermopiles. The decay of plutonium-238 produces relatively harmless alpha particles and is not accompanied by gamma-irradiation. Therefore, this isotope (~160 mg) is used as the energy source in heart pacemakers where it lasts about 5 times longer than conventional batteries.

對生物的影響
目前沒有發現錒系元素在生物體中發揮任何生物學作用。由於錒系元素皆具有放射性，其衰變時釋放的游離輻射會破壞生物組織，過度暴露在輻射中會導致輻射中毒，故對生物而言具有極高的毒性。因此含有錒系元素的核廢料的處置是一個至關重要的課題。

参见

• 錒系化學
• 超铀元素
• 锕系后元素
• 超锕系元素
• 鑭系元素
• 鉑系元素
• 鐵系元素
• 次锕系元素

参考文献
系