铥是什么?
铥(符号Tm)是元素周期表中的第69号元素,属于6周期的镧系元素。 稳定镧系元素中最稀有的一种,受到辐照后可作为便携式X射线源。 在室温下为固态。
结构
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。
测量值
每个条形图显示铥在全部118种元素中该属性所处的位置。
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
半径176 pm——即0.176 nm,因此大约2.84百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
铥在405 K的范围内呈液态,温度从1818 K到2223 K。
背后的故事
稳定镧系元素中最稀有的一种,受到辐照后可作为便携式X射线源。
发现者:Per Teodor Cleve,瑞典乌普萨拉(1879 年)
命名来源:Thule,斯堪的纳维亚的古称
铥的发现或许代表了 19 世纪分析化学中技术要求最高的成就。Per Teodor Cleve 在乌普萨拉大学工作时,已经共同发现了钬,并怀疑稀土混合物中还隐藏着更多元素。
1879 年,Cleve 从他精心纯化的氧化铒样品开始了极其困难的分离过程。这一挑战前所未有:要分离化学性质差异不到 1% 的元素,需要使用达到 19 世纪能力极限的分析技术。
Cleve 的分离技术包括对铒化合物进行反复分步结晶,每个循环都需要数周才能完成。这一过程要求极大的耐心和精确度,温度哪怕只变化几度,也可能毁掉数月的工作。
经过近两年的系统结晶,Cleve 观察到最难结晶的馏分显示出与已知稀土元素明显不同的光谱性质。他观察到的绿色吸收线此前从未被报道过。
关键突破出现在 Cleve 对分离出的馏分进行光谱分析时。596 和 531 纳米处特征性的绿色发射线,为新元素提供了确凿证据。这些光谱特征极其独特,其他化学家可以立即验证 Cleve 的发现。
Cleve 以 Thule 命名“thulium”,Thule 是古希腊和古罗马对斯堪的纳维亚或世界最北端宜居地区的称呼。这延续了由瑞典化学家发现的稀土元素所采用的北欧命名传统。
即使在发现之后,获得纯铥化合物仍然极其困难。直到 1911 年,第一批纯度较高的氧化铥才制备出来,距离 Cleve 最初的发现已经超过 30 年。金属铥直到 1950 年才利用离子交换技术分离出来。
Cleve 对稀土分离采取的系统方法,建立了在数十年间一直作为标准的方法。他细致的记录使其他科学家能够复现并验证其工作,增强了国际科学界对这些新发现元素真实性的信心。
这个曾要求 Cleve 进行最艰难分离工作的元素,如今已成为医疗应用中最有价值的稀土元素之一。铥在便携式 X 射线系统中的救命作用表明,看似学术性的 19 世纪发现,数十年后也能具有深远的实际重要性。
用途
铥是仅次于钷的第二稀有稳定镧系元素。尽管极其稀少,它仍在拯救生命的医疗技术中获得了非凡应用。这种杰出的元素已成为便携式医学成像和先进治疗程序不可或缺的材料,证明即使是最稀有的材料,也能对人类健康产生深远影响。
铥-170 源为紧凑型便携式 X 射线设备提供动力,将医学成像带到偏远地区、灾区和战地医疗设施。这些由放射性同位素供能的设备无需外部电源即可运行数月,在传统 X 射线设备无法部署或维护的地方提供挽救生命的诊断能力。
与需要高压电源的传统 X 射线管不同,铥基源完全独立运行且无需维护。急救医疗队、军医以及发展中地区的医护人员依靠这些便携式系统进行创伤评估、骨折诊断和紧急手术规划。
铥-170 独特的核性质使其在靶向放射治疗中具有极高价值。该同位素 128 天的半衰期和理想的能量特性能够精确靶向肿瘤,同时将对健康组织的损伤降至最低。肿瘤科医生使用铥-170 密封源治疗皮肤癌,其有限的穿透范围能够实现精准的剂量定位。
铥化合物是金属卤化物放电灯的重要组成部分,用于专业照明。这些高强度灯能够产生极其明亮且色彩平衡的光线,对于电影制作、体育场馆照明和需要完美色彩还原的建筑应用至关重要。
铥独特的核性质使其适用于包括中子活化分析、核物理实验和材料测试在内的科学研究。研究反应堆使用铥靶材生产用于医疗和工业应用的专用放射性同位素。
科学家正在研究铥基化合物在超导体中的潜在应用。尽管目前尚不具备商业可行性,铥的电子性质为未来的量子计算和先进材料研究展现了良好前景。
铥-170 源为专用军事设备提供可靠且无需维护的动力,包括野战 X 射线系统、安全检查设备和放射性探测设备。该同位素的稳定性和可预测的衰变特性使其非常适合长期部署。
尽管铥是丰度最低的稀土元素之一,但在其独特性质不可替代的专业应用中,铥的价格很高($2000-4000/kg)。仅医疗同位素市场每年的需求就超过 $100 million。
铥供能的便携式 X 射线系统彻底改变了服务不足地区的医疗服务。这些设备使从亚马孙雨林诊所到南极研究站等地点能够进行医学成像,将先进诊断技术带给过去无法触及的人群。
全球人口老龄化以及发展中国家医疗服务覆盖面的扩大,推动了对铥基医疗技术日益增长的需求。预计便携式 X 射线市场在 2030 年前将以每年 8-12% 的速度增长。
针对铥的研究仍在继续,研究方向包括量子传感器、先进成像系统和新一代癌症疗法。铥独特的核性质和电子性质不断为医疗和科学应用揭示新的可能性。
来源
地壳中含量为0.52 mg/kg · 比48%的元素更丰富
铥是自然存在的第二稀有稀土元素,地壳平均丰度仅为 0.52 parts per million,比金、铂或除钷以外的任何其他稳定镧系元素都稀有。这种极端稀缺性使铥成为最昂贵且具有重要战略意义的稀土元素之一。
中国(全球产量的 95%):中国南方的离子吸附型黏土矿床几乎是全球唯一的商业铥来源。这些矿床由花岗岩侵入体经过数百万年风化形成,含有已知自然界中最高浓度的铥。
替代来源:中国以外没有重要的铥生产,这使这种关键医疗同位素源材料面临极高的供应脆弱性。其他稀土作业会回收少量副产品,但产量仍微不足道。
铥分离是分析化学中技术难度最高的程序之一。由于镧系收缩效应,铥的离子半径与相邻元素相差不到 2%,需要数百个分离阶段才能达到医疗应用所需的纯度。
使用专用螯合剂的离子交换色谱可以将铥与其他重稀土元素分离,但要达到 99.99% 的完全纯化,可能需要超过 300 个独立分离步骤,多于任何其他稀土元素。
全球铥年产量估计低于 50 tons,大部分材料在中国用于国内应用。铥化合物的国际贸易按交易量计是最小的商品市场之一,但按单位价值计却是最高的市场之一。
鉴于铥极度稀缺且价值高,从报废医疗设备中回收铥正变得越来越重要。专用回收工艺可以从便携式 X 射线源和医疗同位素发生器中回收铥,但目前的回收基础设施仍然有限。
用于医疗应用的铥-170,是在核反应堆中通过天然铥-169 的中子活化生产的。该过程需要高度富集的铥原料,进一步提高了高效分离和回收技术的重要性。
深海采矿作业最终可能获取富含铥的多金属结核,但环境和技术挑战仍然很大。先进的提取技术可能使先前不具经济性的矿床具备铥回收价值。
处理
铥化合物具有中等化学危害,但铥-170 同位素因用于医疗应用而需要严格的放射性安全规程。处理程序必须同时应对化学毒性和辐射暴露风险。
铥-170:β 和 γ 辐射发射体,需要受控进入程序。最大允许体内负荷:0.4 μCi。密封源应用需要许可证和定期泄漏检测。
ALARA 原则:所有铥-170 操作都必须遵循“合理可达到的最低水平”辐射暴露原则。缩短暴露时间,增大距离,并使用适当屏蔽。
粉尘控制:氧化铥粉尘可能引起呼吸道刺激。应将工作场所暴露量维持在低于 5 mg/m³ 的时间加权平均值。
皮肤接触:避免皮肤长时间接触铥化合物,因为其可能使某些人产生致敏反应。
医用级铥源需要专门的处理程序,包括受控区域、辐射监测和应急响应计划。只有经过培训并持有许可证的人员才能操作铥-170 医疗设备。
铥-170 源需要储存在获得许可的安全设施中,并配备适当屏蔽、访问控制和库存追踪。化学化合物应储存在阴凉、干燥的条件下,远离不相容材料。
放射性铥废物必须由获得许可的放射性废物管理公司处置。短寿命同位素可以采用衰变储存。非放射性铥化合物应回收,因为铥极度稀缺且价值高。
接触铥-170 的人员需要定期进行辐射监测,包括全身剂量测定和生物测定项目。区域监测必须能够发现潜在的辐射泄漏或污染。
快速解答
铥(符号Tm)是元素周期表中的第69号元素,属于6周期的镧系元素。 稳定镧系元素中最稀有的一种,受到辐照后可作为便携式X射线源。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹³ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 31, 8, 2。铥在1818 K(1544.9 °C)熔化,在2223 K(1949.9 °C)沸腾。
铥的标准原子量为168.934 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
铥的密度为9.32 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铥块约重9.3倍。
铥的鲍林电负性为1.25。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)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
铥由Per Teodor Cleve于1879年发现。 它以thule,神话中的遥远北方命名。
铥约占地壳的0.52 mg/kg——确实很稀有,因此价格昂贵。