神奇的放射发光物质—稀土元素钷

神奇的放射发光物质—稀土元素钷

出品：科普中国

制作：中国稀土学会 张安文 孙菊英

监制：中国科学院计算机网络信息中心

 

钷[pǒ]的名称来源

 

钷元素（Promethium）的名字来源于希腊神话中的英雄——天神普罗米修斯（Prometheus）。在希腊神化传说中，众神之王宙斯为了永远统治大地，故意不给人类降火。而英雄的天神普罗米修斯看到人类没有火的生活十分悲惨，便决心违抗宙斯意志，冒着生命危险到太阳神阿波罗那里盗取火种并将其带给人家，给人类带来光明、温暖和安全。稀土元素钷的名字来源似乎也预示着稀土元素将给人类带来光明和创作活力。

 

图1 希腊神话中英雄的天神普罗米修斯

 

稀土家族光明之神是如何诞生的？

 

1945年美国橡树岭国立实验室的化学家马林斯基（J.A.Marinsky）、格伦丁宁（L.E.Glendenin）和克里尔（C. Coryell），从原子反应堆用过的铀燃料中用离子交换法成功分离出一种新的化学元素，即元素周期表中的61号元素，随后以希腊神话中的英雄天神普罗米修斯（Prometheus）的名字将这种元素命名为钷（Promethium）。钷的发现使当时元素周期表上的空白全部被填满，使“失踪元素”全部被找到。

 

图2 钷在化学元素周期表中的位置

 

在哪里可以找到钷的身影？

 

在核反应堆中用中子轰击钕可以得到钷的同位素。钷的所有同位素半衰期都比较短，所以长期以来，人们普遍认为自然界中不存在钷。然而，在1964年有报道称，芬兰科学家从天然磷灰石中分离出82微克的钷；1965年荷兰的一个磷酸盐工厂在处理磷灰石发现了钷的痕量成分。

 

图3 磷灰石

 

因此，人们认为作为天然核裂变产物，自然界中也存在极微量的钷，只是这极微量并无提取价值。

而要生产利用钷，必须采取用核反应堆人造元素的办法。

 

图4 人造元素的流程

 

钷的主要应用领域——放射发光

 

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。放射发光不产生热量，也叫“冷光”。比起普通的自发光元素，放射发光的优势在于它不需要维护保养即可长期提供微弱照明，例如地下指挥部永久性的发光标志等。

选择放射性同位素有三点要求：适当的温度、适当的半衰期和放射性危害小。

例如钷-147的半衰期为2.6年，是一种只放射β射线的放射性核素，β射线射程短，对人体危害小。因此钷-147可用于以下领域：

1、人工“夜明珠”

2、军事

各种飞机、军舰、坦克、车辆的驾驶室、仪表舱、控制台的仪表刻度和指针以及炮兵用观察、测地、指挥器材的分划镜、水准器等。利用放射发光粉做涂料，夜间显示仪表数据十分清晰，一目了然。

 

 

图5 飞机驾驶舱

 

3、航天

 

图6 阿波罗登月舱

 

美国阿波罗登月舱中曾使用了125个钷-147原子灯。用钷制成的荧光物可用于航标灯。

 

4、医用

除此之外，钷-147可用于制造放射性同位素电池，利用钷发出射线产生热量，通过热电偶将热能转化为电能。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。可用于导弹中仪器核动力电池，也可作为心脏起搏器电源。

 

图7 心脏起搏器

 

5、农业

钷-147作为纯β放射源是理想的示踪元素。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。另外，研究还发现我国北方农村用无烟囱地炉做饭、取暖，室内环境常被天然放射性物质所污染，尤其是钷-210，某些居民头发中钷-210的含量竟高出常规50多倍。

 

结语

 

稀土元素的制备与提取是以牺牲生态环境为代价的血泪史。

浸出、酸沉等工序产生的大量废水富含氨氮、重金属等污染物，严重污染饮用水和农业灌溉用水。其次，稀土开采对环境和植被破坏性非常大。先砍树后锄草，然后剥离表层土壤，所到之处山体植被都会遭受难以修复的破坏。再次，稀土采选产生的废渣占用大量的土地，其中所含的重金属或有害元素在雨水冲洗作用下进入河流或地下水体，严重影响人民的身体健康和生态环境。

 

图8 稀土原地堆浸废液池

 

除此之外，稀土价格也曾经历过传奇性的飙涨，在2011年某些稀土元素的价格竟然增长了30多倍，利益驱使一些不法分子无视稀土元素的战略地位和作用，疯狂地盗采稀土资源。

所以只有我们伸出双手共同保护稀土资源，才能让这小小的萤火之光照亮中国、照亮全世界！

 

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