61 Pm 钷 145*
镧系元素 f区 第6周期 放射性 合成

钷

Pm · 元素61 · 镧系元素

唯一没有稳定同位素的镧系元素,它已衰变殆尽,必须在反应堆中制造。

20°C时的状态 固态
原子量 145 u
电子排布[Xe] 4f⁵ 6s²

结构

钷原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示钷在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 7.26 g/cm³ 46%
熔点 1315 K 57%
沸点 3273 K 68%
比热容 0.18 J/g·K
热导率 17.9 W/m·K 45%

原子

原子半径 183 pm 72%
共价半径 199 pm
范德华半径 236 pm

电子

电负性 1.13 14%
电离能 538.4 kJ/mol 13%
电子亲和能 —

存在情况

地壳中的丰度 0 mg/kg 0%

身份

符号Pm
原子序数61
原子量145 u
类别镧系元素
区f
晶体结构菱方晶系
氧化态+3
发现1945
发现者Marinsky, Glendenin & Coryell

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钷的原子有多大?

半径183 pm——即0.183 nm,因此大约2.73百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钷在1958 K的范围内呈液态,温度从1315 K到3273 K。

所在位置

在表中的位置

钷位于镧系元素系,印在主表格下方。

其他镧系元素

所有镧系元素

背后的故事

钷是什么,以及我们如何发现它

唯一没有稳定同位素的镧系元素,它已衰变殆尽,必须在反应堆中制造。

钷的发现

🔍 缺失元素之谜

门捷列夫的预测(1869年)

德米特里·门捷列夫编制元素周期表时,预测在钕和钐之间存在一种元素,并将其称为“类钕元素”。近70年来,这一直是化学界最难以捉摸的缺失部分。

错误声明与混乱(1900年代-1920年代)

多位科学家声称发现了61号元素:

  • 1902年:Bohuslav Brauner认为自己在稀土残渣中发现了它
  • 1914年:Henry Moseley的X射线研究提示了它的存在
  • 1924年:意大利科学家声称从巴西独居石中分离出了它

由于分离技术不足以及邻近元素污染,所有声明后来都被证明是错误的。

橡树岭的突破(1945年)

橡树岭国家实验室的Charles Coryell、Jacob Marinsky和Lawrence Glendenin最终在曼哈顿计划期间从铀裂变产物中分离出了61号元素。他们使用先进的离子交换色谱法,明确鉴定并分离出了这种放射性元素。

命名争议(1945-1950年)

发现者最初以原子时代为背景提出“atomium”这一名称,但该名称未获接受。经过多年争论,他们以普罗米修斯命名为“promethium”。普罗米修斯是从众神那里盗取火种的希腊泰坦,象征着人类对核火焰的掌控。

科学验证

这一发现通过以下方式得到确认:

  • 显示特征衰变模式的β辐射分析
  • 钷化合物的X射线晶体学
  • 确认原子量为147的质谱分析
  • 证明镧系元素性质的化学分离
⚡ 历史影响:钷的发现标志着镧系元素系列的完成,并证明铀以下元素周期表中的所有空缺都可以通过核合成填补。

用途

钷的用途

🚀 先进核应用

钷是唯一没有稳定同位素的放射性稀土元素,在特殊核技术中发挥着独特作用。钷-147产生能量水平相对安全的β辐射(225 keV),非常适合用于为深空任务供电的核电池,因为在这些任务中太阳能电池板无法有效工作。

太空探索技术

NASA和其他航天机构利用钷放射性同位素热电发生器(RTG)为飞往木星以外的航天器供电,因为在那里太阳能已不足以满足需求。这些紧凑型电源可为前往土星、铀和星际空间的任务中的仪器提供数十年可靠的电力。

医学研究应用

在核医学中,钷-147可作为β发射示踪剂,用于研究代谢过程和器官功能。其相对较短的半衰期(2.6年)能够进行详细成像,同时最大限度地减少患者长期受到的辐射暴露。

精密仪器

高端科学仪器将钷用作厚度测量仪,用于测量半导体制造中的极薄材料。稳定的β发射可提供精确测量,这对微电子产品生产中的质量控制至关重要。

专用照明系统

紧急出口标志和飞机仪表盘利用钷的磷光性质,通过β辐射激发荧光涂层,产生无需外部电源、可持续数年的自供电照明。

⚠️ 需要特殊处理:由于钷具有放射性,所有钷的用途都要求严格遵守辐射安全规程,并使用专门的 containment 系统。

🔬 专门科学用途

核电池

钷-147为用于心脏起搏器、偏远气象站和极端环境科学设备的贝塔伏特电池提供能源。这些电池无需维护即可稳定供电10-20年,因此对于无法接近的设备安装点极具价值。

发光涂料技术

军事和航空行业使用含钷的放射性发光涂料制作仪表盘、罗盘标记和应急照明系统。在关键应用中,这种自发光特性无需依赖外部光源。

研究实验室设备

科研机构使用钷源对探测设备进行β辐射校准,确保核物理实验和环境监测系统中的测量准确。

质量控制系统

制造业在纸张、塑料和金属板材生产中使用钷-147的厚度监测系统,无需与材料接触即可提供实时质量保证。

🚀 新兴应用

  • 用于物联网(IoT)传感器的微型核电池
  • 深海探索设备电源
  • 自动驾驶车辆传感器校准系统
  • 空间栖息地应急照明系统

来源

自然存在

地壳中含量为0 mg/kg · 比0%的元素更丰富

🧪 独特的人工合成来源

没有天然稳定性

钷是唯一没有稳定同位素的镧系元素。不同于存在于矿床中的其他稀土元素,钷在自然界中仅以铀矿石裂变产物的形式存在于痕量中,其浓度极低,几乎无法检测。

核反应堆生产

如今使用的钷几乎全部源自核反应堆运行。最有用的同位素钷-147是在专门的研究反应堆中用中子轰击钕-146制得的,全球年产量约为1-2克。

恒星核合成

在宇宙中,钷在恒星核过程中形成,但由于衰变过快,无法积累到可检测的数量。天文学家已在某些变星中发现钷的光谱线,这为了解恒星内部状况和核合成机制提供了依据。

铀衰变链

天然铀-235裂变偶尔会产生钷同位素,但这些同位素会在数年至数十年内衰变。即使在含铀量最高的矿床中,钷的浓度也低于每千克矿石10⁻¹⁸克。

实验室合成

科研机构通过以下方式制备钷:

  • 对钕靶进行中子活化
  • 对钐样品进行离子轰击
  • 从核反应堆裂变产物中分离
  • 使用粒子加速器合成研究所需的数量
💎 极度稀有:钷被认为是地球上最稀有的元素之一,任何时刻全球总储量估计都少于1千克。

处理

安全

钷具有放射性。 它没有稳定同位素——每个原子核都会衰变。的处理需要适当的屏蔽和许可。

☢️ 辐射安全至关重要

辐射危害

主要风险:钷-147发射最大能量为225 keV的β辐射(电子)。由于β粒子的穿透能力有限,外部暴露的风险相对较低,但内部污染会对健康造成严重威胁。

个人防护装备

  • 实验室外套和丁腈手套(双层)
  • 带侧护板的安全眼镜
  • 处理粉末时使用呼吸防护用品
  • 必须佩戴个人剂量监测徽章

操作规程

操作必须在负压放射性通风橱中进行。尽可能使用远程操作工具。钷操作区域内严禁进食、饮水或使用化妆品。严格管理所有源的库存。

污染预防

工作台面必须覆盖带吸收层的塑料背衬纸。离开实验室前,使用辐射探测设备监测手部、衣物和工作区域。使用适当的清洁溶液对表面进行去污。

应急程序

污染事故:立即通知辐射安全负责人。脱下受污染的衣物并彻底淋浴。若可能发生内部暴露,应接受医学评估。泄漏清理需要专门的程序和设备。

储存要求

将其储存在上锁并设有放射性区域标识的区域内的屏蔽容器中。保持温度记录和目视检查计划。必须每月清点源,每年进行泄漏测试。

🚨 紧急情况:如发生任何与钷有关的事故或疑似污染,请立即联系机构辐射安全负责人。

快速解答

钷:常见问题

钷是什么?

钷(符号Pm)是元素周期表中的第61号元素,属于6周期的镧系元素。 唯一没有稳定同位素的镧系元素,它已衰变殆尽,必须在反应堆中制造。 在室温下为固态,并具有放射性。

钷的电子排布是什么?

钷的基态电子排布为[Xe] 4f⁵ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 23, 8, 2。

钷的熔点和沸点是多少?

钷在1315 K(1041.9 °C)熔化,在3273 K(2999.9 °C)沸腾。

钷的原子量是多少?

钷没有稳定同位素,因此没有标准原子量。所列数值145是其已知寿命最长同位素的质量数。

钷的密度是多少?

钷的密度为7.26 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钷块约重7.3倍。

钷的电负性是多少?

钷的鲍林电负性为1.13。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。

谁发现了钷,是在什么时候?

钷由Marinsky, Glendenin & Coryell于1945年发现。 它以prometheus,从诸神那里盗取火种者命名。

钷在地球上有多常见?

钷在地球上不会以任何有意义的数量自然存在——它是在反应堆或加速器中制得的。

钷具有放射性吗?

是。钷没有稳定同位素——它的每个原子核都会衰变。 自然界中不存在可用数量的该元素,必须通过合成获得。