元素

61 钷 夜明珠的元素

本文作者 漂泊

钷是一种放射性元素,它最先是被人工合成的,后来又在自然界中被发现。钷可以用于制造放射性同位素电池,在航空航天以及医疗领域都有着重要应用。钷也可以用于制造放射发光材料,可用作永久光源。总之,它是一种用途广泛的反射性稀土元素。

 

钷的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 61[145]
电子配置 4f56s2
密度 6.475g/cm 
熔点 1042°C
沸点 3000°C
形状 银白色金属
丰度 4.5*10-17ppm(地壳火成岩)
发现者 Jacob .A. Marinsky,Lawrence E. Glendenin,Charles D. Coryell
主要的同位素 145Pm
用途例 放射性同位素电池、反射发光材料、失踪元素
前后的元素 钕-钷-钐

 

钷的发现

1902年,Bohuslav Branner就推测在元素周期表中应该有一个元素位于钕和钐之间。但他不知道的这个元素只具有放射性同位素且含量极少。(微量的钷的确以核裂变的结果出现在铀矿石中,且每百万吨矿石中钷含量不到1微克。)

1939年,加州大学的研究人员就开始研究如何利用60英寸回旋加速器人工制造钷元素,但最终没有实现。61号元素钷最终是由Jacob .A. Marinsky,Lawrence E. Glendenin和Charles D. Coryell等人在田纳西州的橡树岭国家实验室合成,他们用离子交换色谱法从一个核反应堆中的铀燃料的裂变产物中分离了钷。钷的名字Promethium源自希腊神话中偷取火种给人类的英雄普罗米修斯(Prometheus),元素符号定为Pm。

一直到1948年,研究人员才制得肉眼可见并可称重的氯化钷(PmCl3,黄色)和硝酸钷(Pm(NO3)3)各3毫克。1965年,研究人员才从6000吨铀矿中取得350毫克钷,这是铀裂变的产物。至此,钷元素不再被认为是一个被人工合成的元素。迄今已有28个钷的同位素被合成,其中最长的钷-147的寿命是2.6234年。[1-6]

Jacob .A. MarinskyLawrence E. GlendeninCharles D. Coryell

 

放射性同位素电池

放射性同位素电池是一种将放射性同位素的衰变能转变为电能的装置,由放射性同位素的衰变能转换为电能的机制有十几种,如“放射性同位素温差发电器”、“辐射伏特效应”、“衰变耦合磁共振”、“往复式震荡悬臂梁”、“热离子发射”、“衰变能-光能-电能”等等。放射性同位素电池中的放射性同位素在衰变过程中会不断以射线的形式,向外放出比一般物质大得多的热能。这种能量具有两个优点:第一个是这种能量的大小、速度,不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,所以放射性同位素电池具有很强的抗干扰性和准确性。另一个特点放射性同位素电池可长期使用,因为放射性同位素通常有很长的衰变时间。正是因为放射性同位素电池具有这些优点,所以它被广泛用于航空航天事业,在黑暗的地方,它具有太阳能电池不可比拟的优点。同样,在大海的深处,也是放射性同位素电池的用武之地。在深海里,太阳能电池根本派不上用场,燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短,所以放射性同位素电池具有很大的使用价值。例如,现在已用它作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。人们还将放射性同位素电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动;或用作海底电缆的中继站电源,它能耐五六千米深海的高压,可以安全可靠地工作,是一种非常好的电源。

利用钷-147制造的放射性同位素电池,是利用钷衰变发出射线产生热量,再通过热电偶将热能转化为电能的原理。或者也可以利用放射线作用于荧光物质产生的荧光照射在硅光电池上而产生电能,这类特殊的电池只有纽扣大小,能持续工作5年之久,是人造卫星上非常需要的体积小、重量轻、寿命长的电源。这种同位素电池, 还被用作导弹中的仪器核动力电池, 也可作心脏起搏器的电源。[7-9]

放射性同位素电池 心脏起搏器

 

放射发光材料

放射发光是钷元素的主要应用领域之一。所谓放射发光, 是指某些物体在放射性同位素的射线作用下产生长时间光辐射的现象。放射性同位素可以自发地、连续不断地发生衰变, 并在改变过程中不断产生放射性辐射。这些辐射以高能粒子的形式连续不断的释放出来将能量传输给发光基体, 进而引起材料产生发光现象。这种发光现象并不产生热量, 故被称作“冷光”。各种人工放射性同位素为放射发光的广泛应用提供了物质基础(钷虽然自然界中也存在,但主要还是从反应堆中提取的)。人造放射性材料发光装置与普通照明器材相比有许多突出的优点。它不需要电源供电, 不用电池、灯泡、导线等各种零部件, 构造十分简单。可以根据不同要求制成各种不同形状和颜色的器件, 其光线柔和隐蔽, 不需要维护保养, 在军事上有着十分广阔的用途。

放射发光材料作为良好的夜间显示器材, 广泛应用于陆、海、空三军武器装备的仪器和仪表, 如各种飞机、军舰、坦克、车辆的驾驶室、仪表舱、控制台的仪器刻度、指针以及观察装置等。在火炮的观瞄器上采用放射发光装置后, 夜间操作十分方便。放射发光技术在某些特殊场合还被用来取代电照明,如在人防工事、地下掩蔽指挥部等设立永久性发光标志, 不需要维护保养即可长期提供微弱照明。采用钷同位素的放射发光照明器材将在未来战场上有着非常好的应用前景。此外,钷同位素放射发光照明也用于航天航空技术。美国的阿波罗登月舱中就曾使用了125个钷-147原子灯。生活中常见的夜明珠中也含有钷元素。[10-12]

运用含钷荧光粉作为光源的加热按钮

 

用于环境监测的钷-147

钷-147是一种β辐射体,它也是一种理想的示踪元素。利用其明显的选择性蓄积可研究稀土农业应用的环境安全性。钷-147在土壤中具有强吸附性,而且难以迁移,易于在土壤和底泥中积累,并且在水生生物和陆生食用植物中具有明显的富集性。钷-147在动物体脏器和组织间也呈现出不均匀分布,如在骨髓、眼、大脑、心脏和脂肪中残留量较高,表现了明显的选择性蓄积。因此,可以从稀土环境积累影响、“环境优先污染”类似性、动物脏器组织稀土选择性蓄积效应及其天然放射性等方面,来研究稀土农业应用的环境安全性。[13]

 

参考文献

  • [1]Laing, Michael (2005). “A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned”. Foundations of Chemistry7 (3): 203–233. doi:10.1007/s10698-004-5959-9.
  • [2]Emsley 2011, p. 428.
  • [3]Marinsky, J. A.; Glendenin, L. E.; Coryell, C. D. (1947). “The chemical identification of radioisotopes of neodymium and of element 61”. Journal of the American Chemical Society69 (11): 2781–5. doi:10.1021/ja01203a059hdl:2027/mdp.39015086506477PMID 20270831.
  • [4]“Discovery of Promethium”. Oak Ridge National Laboratory Review. 36(1). 2003. Archived from the original on 2015-07-06. Retrieved 2006-09-17.“Discovery of Promethium”. Oak Ridge National Laboratory Review. 36 (1): 3. 2003. Retrieved 2018-06-17.
  • [5]放射性元素钷的发现——离子交换分离技术的贡献[J]. 离子交换与吸附, 1992(4):362-365.
  • [6]Lee, Chung-Sin; Wang, Yun-Ming; Cheng, Wu-Long; Ting, Gann (1989). “Chemical study on the separation and purification of promethium-147”. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Articles. 130: 21–37. doi:10.1007/BF02037697.
  • [7]promethium. Encyclopædia Britannica Online
  • [8]Stwertka, Albert (2002). A guide to the elements. Oxford University Press. p. 154. ISBN 978-0-19-515026-1.
  • [9]Flicker, H.; Loferski, J. J.; Elleman, T. S. (1964). “Construction of a promethium-147 atomic battery”. IEEE Transactions on Electron Devices11(1): 2. Bibcode:1964ITED…11….2Fdoi:10.1109/T-ED.1964.15271.
  • [10]Lavrukhina & Pozdnyakov 1966, p. 118.
  • [11]朱寿彭. 夜光涂料钷-147的放射毒理学进展[J]. 工业卫生与职业病, 1985(5). 陶祖贻.
  • [12]Hammond, C. R. (2011). “Prometium in “The Elements””. In Haynes, William M. CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). CRC Press. p. 4.28. ISBN 978-1439855119.
  • [13]陈祖义, 程薇, 章力干. 稀土元素钷(~(147)Pm)在水生食物链中的生物富集研究[J]. 中国核科技报告, 1998.

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