“夜明珠”元素-深度-知识分子

“夜明珠”元素

2019/06/25
导读
用途广泛的放射性稀土元素

撰文 | 漂泊


钷(pǒ)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,用作永久光源。总之,它是一种用途广泛的放射性稀土元素。


钷的基本物理性质


钷的发现

1902年,Bohuslav Branner就推测,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。(注: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开始研究如何利用60英寸回旋加速器人工制造61号元素,但没有成功。这种元素最终是由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裂变产物中分离了钷(Promethium)。


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,研究人员从6000吨铀矿中取得350毫克钷。此后,钷元素不再被认为是被人工合成元素。


钷的同位素众多,迄今已有28个被合成。其中,钷-147寿命最长,是2.6234年。[1-6]


放射性同位素电池

钷-147可用于制造放射性同位素电池,一种将放射性同位素的衰变能转变为电能的装置。


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释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、速度均不受外界环境(如温度、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。另一个特点是,放射性同位素电池可长期使用,因为放射性同位素通常具有很长的衰变时间。正是因为放射性同位素电池具有这些优点,所以它被广泛应用于航空航天事业——在黑暗的地方,它具有太阳能电池不可比拟的优点。


在大海的深处,放射性同位素电池也有用武之地。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,使用这种电池作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,并且可以几十年不换电池。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;或者用作海底电缆的中继站电源——它能耐五六千米深海的高压,仍保持安全可靠地工作,是一种非常好的电源。


利用钷-147制造的放射性同位素电池,工作原理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;也可以将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,但能持续工作5年之久。因为拥有体积小、重量轻、寿命长的特点,这种同位素电池是人造卫星上非常需要的的电源, 还被用作导弹中的仪器核动力电池,也可用作心脏起搏器的电源。[7-9]


左:放射性同位素电池;右:心脏起搏器


放射发光材料

放射发光也是钷元素的主要应用领域之一。钷元素的名字便是源自希腊神话中偷取火种的普罗米修斯(Prometheus)。


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、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,拥有许多突出的优点。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,并且可以根据不同要求制成各种不同形状和颜色的器件。


由于光线柔和隐蔽,不需要维护保养,这些照明器件在军事上有着十分广阔的用途,被广泛应用于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。


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。


此外,钷同位素放射发光照明也被用于航天航空技术。美国的阿波罗登月舱中就曾使用了125个钷-147原子灯。[10-12]


用于环境监测的钷-147

钷-147是一种β辐射体,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,表现出了明显的选择性蓄积。


因此,我们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]


参考资料

[1] Laing, Michael (2005). “A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned”. Foundations of Chemistry. 7 (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 Society. 69 (11): 2781–5. doi:10.1021/ja01203a059. hdl:2027/mdp.39015086506477. PMID 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 Devices. 11(1): 2. Bibcode:1964ITED…11….2F. doi: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.



本文经授权转载自“化学空间”公众号,略有编辑

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