锕系元素

原子序数	名称	符号
89	锕	Ac
90	钍	Th
91	镤	Pa
92	铀	U
93	镎	Np
94	钸	Pu
95	𰾄	Am
96	锔	Cm
97	锫	Bk
98	鉲	Cf
99	𰾭	Es
100	镄	Fm
101	钔	Md
102	锘	No
103	铹	Lr

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。锕系元素位于元素周期表第7周期的镭与𬬻之间，位于镧系元素下方，但通常为了避免周期表横向过于冗长影响观看，而将镧系和锕系元素移至周期表下方独立列出。锕系元素也属于过渡元素，只是锕系元素的外层和次外层的电子构型基本相同，新增加的电子则大都填入从外侧数第三个电子层（即5f电子层）中，所以锕系元素又可以称为5f系，位于元素周期表中的f区。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。由于锕系元素都是金属，所以又可以和镧系元素统称为f区金属。锕系元素用符号An表示。

1789年德国马丁·克拉普罗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（即超铀元素）都是在1940年后用人工核反应合成的，属于人工合成元素，不过也有部分超铀元素最初是通过人工合成的方式发现，但是后来在自然界中，也发现有痕迹量的存在，例如镎和钸等。

和镧系元素相比，较轻的锕系元素彼此之间的化合价有较多的变化，因此相似度没有镧系元素来的高，而较重的锕系元素则因为锕系收缩现象的减缓而使得彼此之间的相似性较高，因而造成分离上的困难。

锕系元素原子基态的电子构型是5f^0~146d^0~17s²，这些元素的核外电子分为7层，最外层都是2个电子，次外层多数为8个电子（个别为9或10个电子），从镤到锘电子填入第5层，使第5层电子数从18个增加到32个。

性质

元素名称	锕	钍	镤	铀	镎	钸	𰾄	锔	锫	鉲	𰾭	镄	钔	锘	铹
原子序	89	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99	100	101	102	103
图片												无	无	无	无
原子量	227.03	232.04	231.04	238.03	237.05	[244]	[243]	[247]	[247]	[251]	[252]	[257]	[258]	[259]	[266]
天然同位素数量	3	7	3	8	3	4	0	0	0	0	0	0	0	0	0
最长寿同位素	227	232	231	238	237	244	243	247	247	251	252	257	258	259	266
最长寿同位素之半衰期	21.8年	140亿年	32500年	44.7亿年	214万年	8080万年	7370年	1560万年	1380年	900年	1.29年	100.5天	52天	58分钟	11小时
密度（g/cm³）^[1]	10.07	11.724	15.37	19.05	20.45	19.816	13.67	13.51	14.78	15.1	-	-	-	-	-
熔点（°C）	1050	1842	1568	1132.2	639	639.4	1176	1340	986	900	860	1530	830	830	1630
沸点（°C）	3198	4788	4027？	4131	4174？	3228	2607？	3110	2627	1470？	996？	—	—	—	—
电子组态（气相）	6d¹7s²	6d²7s²	5f²6d¹7s² 或 5f¹6d²7s²	5f³6d¹7s²	5f⁴6d¹7s² 或 5f⁵7s²	5f⁶7s²	5f⁷7s²	5f⁷6d¹7s²	5f⁹7s² 或 5f⁸6d¹7s²	5f¹⁰7s²	5f¹¹7s²	5f¹²7s²	5f¹³7s²	5f¹⁴7s²	5f¹⁴7s²7p¹
电子组态（固相）	6d¹7s²	5f^0.56d^1.57s²	5f^1.76d^1.37s²	5f^2.96d^1.17s²	5f⁴6d¹7s²	5f⁵6d¹7s²	5f⁶6d¹7s²	5f⁷6d¹7s²	5f⁸6d¹7s²	5f⁹6d¹7s²	5f¹¹7s²	5f¹²7s²	5f¹³7s²	5f¹⁴7s²	5f¹⁴6d¹7s²
金属半径（pm）	203	180	162	153	150	162	173	174	170	186	186	? 198	? 194	? 197	? 171

锕系元素皆为银灰色有光泽的放射性金属^[2]^[3]^[4]^[5]，半衰期随着原子序的扩大而依次缩短。锕系元素的性质较软，具有较高的密度及可塑性，在空气中会失去光泽。^[6]与镧系元素一样，锕系元素的化学性质比较活泼，能形成错合物及可溶于水的氯化物、硫酸盐、硝酸盐及高氯酸盐等，至于它们的氢氧化物、氟化物、硫酸盐及草酸盐等则不溶于水。

争论

铹（Lr）是否属于锕系元素有争论。最近的色谱分析显示，铹应属于IIIB族，而非锕系。但为了方便叙述，现今仍习惯将其与锕系合称。参见镧系元素中关于镥的地位的争论。

原子半径和离子半径（锕系收缩）

与同族的钪、钇、镧、锕原子半径逐渐增大的规律恰恰相反，从钍到铹则是逐渐减小。这种锕系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为锕系收缩。

锕系元素中，充填最初几个元素的5f电子时，离子半径收缩地比较明显，但此现象后来趋于平缓，使得这些较重的锕系元素的离子半径十分接近。因此锕系元素在化学性质上的差别随着原子序数的增大而逐渐变小，以致逐个地分离锕系元素（尤其是重锕系元素）越来越困难。

原子序数	元素名称	+3离子半径（pm）	+4离子半径（pm）
90	钍（Th）	108	99
91	镤（Pa）	105	93
92	铀（U）	103	93
93	镎（Np）	101	92
94	钸（Pu）	100	90
95	𰾄（Am）	99	89
96	锔（Cm）	98	88
97	锫（Bk）	——	——
98	鉲（Cf）	——	——
99	𰾭（Es）	——	——
100	镄（Fm）	——	——
101	钔（Md）	——	——
102	锘（No）	——	——
103	铹（Lr）	——	——

离子的颜色

水溶液中锕系元素离子的近似颜色（最后四个元素的离子颜色未知，因为尚未合成出足够的量进行观察）^[7]
氧化态	锕	钍	镤	铀	镎	钸	𰾄	锔	锫	鉲	𰾭	镄	钔	锘	铹
+2												Fm²⁺	Md²⁺	No²⁺
+3	Ac³⁺	Th³⁺	Pa³⁺	U³⁺	Np³⁺	Pu³⁺	Am³⁺	Cm³⁺	Bk³⁺	Cf³⁺	Es³⁺	Fm³⁺	Md³⁺	No³⁺	Lr³⁺
+4		Th⁴⁺	Pa⁴⁺	U⁴⁺	Np⁴⁺	Pu⁴⁺	Am⁴⁺	Cm⁴⁺	Bk⁴⁺	Cf⁴⁺
+5			PaO+ 2	UO+ 2	NpO+ 2	PuO+ 2	AmO+ 2
+6				UO2+ 2	NpO2+ 2	PuO2+ 2	AmO2+ 2
+7					NpO3+ 2	PuO3+ 2	AmO3− 5

铀的3、4、5、6价盐的水溶液
镎的3、4、5、6、7价盐的水溶液
钸的3、4、5、6、7价盐的水溶液

存量及合成

地壳中含量最丰富的锕系元素为钍和铀，它们两者具有很长的半衰期，放射性较微弱，因此能在地壳中以稳定的量存在。主要的含铀矿物有钒酸钾铀矿和钙铀云母等，而钍主要分布在独居石、方钍石和钍石等矿物中。大多数含钍矿物中皆含有铀，反之亦然，且这些矿物中也都含有大量的稀土元素。

镤和锕主要分布在各种铀矿及钍矿中，含量甚微，且因化学性质与矿石中的镧系元素相似而难以提取、分离，因此通常是从用过核燃料中提炼，或在核反应炉中人工制成。

超铀元素大多不存在于自然界中，必须透过核反应炉或粒子加速器人工合成，只有部分较轻的元素如镎和钸等以痕量存在于铀矿中。

用途

尽管部分锕系元素已在日常生活中得到了应用，例如烟雾侦测器中的𰾄^[8]^[9]和煤气网罩中的钍等^[10]，但锕系元素主要用于核武器，或当作核反应炉的燃料，例如铀和钸等。而原子序较大的重锕系元素由于制备的难度较高，且较不稳定，因此只用于学术研究，而没有实际用途。

在核反应炉最重要的同位素是铀-235。它被用于如核反应炉，且在天然铀里有0.72%的铀-235。它强烈吸收热中子，然后放出能量。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：

235
92U
+ 1
0n
⟶ 115
45Rh
+ 118
47Ag
+ 31
0n

1克²³⁵U的一次裂变行为转换为大约1MW/天。重要的是,235
92U
发射的中子多于吸收的中子;^[11] 达到临界质量时，235
92U
进入自动链锁反应。^[12]

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

Nuclear reactor^[12]^[13]^[14]
The core of most Generation II nuclear reactors contains a set of hollow metal rods, usually made of zirconium alloys, filled with solid nuclear fuel pellets – mostly oxide, carbide, nitride or monosulfide of uranium, plutonium or thorium, or their mixture (the so-called MOX fuel). The most common fuel is oxide of uranium-235. Fast neutrons are slowed by moderators, which contain water, carbon, deuterium, or beryllium, as thermal neutrons to increase the efficiency of their interaction with uranium-235. The rate of nuclear reaction is controlled by introducing additional rods made of boron or cadmium or a liquid absorbent, usually boric acid. Reactors for plutonium production are called breeder reactor or breeders; they have a different design and use fast neutrons.

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.

钍除了用作煤气网罩的材料之外^[10]，也常和镁、铝等金属做成合金，因为镁钍合金不但坚固，还具有高熔点及高延展性，因此被广泛用于航空工业和导弹的生产中。钍还有着良好的电子发射性能，可用作电子器件中的高效电子发射极。此外钍的半衰期很长^[11]，和铀同位素的相对含量被广泛用于估算包括恒星在内的各种物体的年龄（参见放射性定年法）。^[15]

钸元素的主要用途是制造核武器，尤其是可以裂变的钸-239。它的临界质量是铀-235的1/3。^[16]

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The "胖子原子弹"-type plutonium bombs produced during the 曼哈顿计划 used explosive compression of plutonium to obtain significantly higher densities than normal, combined with a central neutron source to begin the reaction and increase efficiency. Thus only 6.2 kg of plutonium was needed for an explosive yield equivalent to 20 kilotons of TNT.^[17] (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.^[18]

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)^[9]^[19] 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^[20]) 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.^[9]

锕-227是中子源。 Its high specific energy (14.5 W/g) and the possibility of obtaining significant quantities of thermally stable compounds are attractive for use in long-lasting thermoelectric generators for remote use. ²²⁸Ac is used as an indicator of radioactivity in chemical research, as it emits high-energy electrons (2.18 MeV) that can be easily detected. ²²⁸Ac-²²⁸Ra mixtures are widely used as an intense gamma-source in industry and medicine.^[21]

具有耐用晶体基质的自发光锕系元素掺杂材料的开发是锕系元素利用的一个新领域，因为向某些玻璃和晶体中添加α发射放射性核素可能会赋予发光性。^[22]

对生物的影响

由于锕系元素皆具有放射性，对生物而言具有极高的毒性，过度暴露在它们散发出的辐射中会损害人体健康。因此含有锕系元素的核废料的处置是一个至关重要的课题。^[22]

参见

参考文献

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^ 引用错误：没有为名为Himiya aktiniya的参考文献提供内容
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[1] 存档副本. [2019-12-15]. （原始内容存档于2019-04-04）.

[Gray-2] Theodore Gray. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 2009: 240. ISBN 978-1-57912-814-2.

[3] Actinide element （页面存档备份，存于网际网路档案馆）, Encyclopædia Britannica on-line

[4] Although "actinoid"（rather than "actinide"）means "actinium-like" and therefore should exclude actinium, that element is usually included in the series.

[5] Neil G. Connelly; et al. Elements. Nomenclature of Inorganic Chemistry. London: Royal Society of Chemistry. 2005: 52 [2014-03-31]. ISBN 0-85404-438-8. （原始内容存档于2014-01-01）.

[g1264-6] Greenwood, p. 1264

[g1265-7] Greenwood, p. 1265

[8] Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002

[g1262-9] 9.0 ^9.1 ^9.2 Greenwood, p. 1262

[g1255-10] 10.0 ^10.1 Greenwood, p. 1255

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[13] G. G. Bartolomei; V. D. Baybakov; M. S. Alkhutov; G. A. Bach. Basic theories and methods of calculation of nuclear reactors. Moscow: Energoatomizdat. 1982.

[14] Greenwood, pp. 1256–1261

[15] Sergey Popov; Alexander Sergeev. Universal Alchemy. Vokrug Sveta. 2008, 2811 (4) [2019-10-15]. （原始内容存档于2019-10-21）（俄语）.

[Heiserman1992-16] David L. Heiserman. Element 94: Plutonium. Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York: TAB Books. 1992: 338. ISBN 978-0-8306-3018-9.

[yield-17] John Malik. The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions (PDF). Los Alamos. September 1985: Table VI [15 February 2009]. LA-8819. （原始内容存档 (PDF)于24 February 2009）.

[FASdesign-18] FAS contributors. Nuclear Weapon Design. Federation of American Scientists. 1998 [7 December 2008]. （原始内容存档于26 December 2008）.

[19] John Holdren and Matthew Bunn Nuclear Weapons Design & Materials. Project on Managing the Atom (MTA) for NTI. 25 November 2002

[20] Apollo 14 Press Kit – 01/11/71 （页面存档备份，存于网际网路档案馆）, NASA, pp. 38–39

[Himiya_aktiniya-21] 引用错误：没有为名为Himiya aktiniya的参考文献提供内容

[burakov-22] 22.0 ^22.1 B.E. Burakov; M.I Ojovan; W.E. Lee. Crystalline Materials for Actinide Immobilisation. World Scientific. 2010 [2019-10-15]. ISBN 978-1848164185. （原始内容存档于2020-03-17）.

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