科学家确定极其稀有元素钷的性质

钷极为稀有，在任何时候地壳中自然存在的钷仅约 0.5 公斤。

钷于 1945 年在克林顿实验室发现，是一种镧系元素，符号为 Pm，原子序数为 61。

它以神话中为人类带来火种的泰坦命名，其名字象征着人类的奋斗。

尽管稀土元素已用于医学研究和长寿命核电池，但它的一些特性仍然难以捉摸。

“整个想法是探索这种非常稀有的元素以获得新知识，”橡树岭国家实验室的研究员亚历克斯·伊万诺夫博士说。

伊万诺夫博士和他的同事制备了钷的化学复合物，这使得首次能够在溶液中对其进行表征。

于是，他们通过一系列细致的实验揭开了这种元素的秘密。

“因为没有稳定的同位素，钷是最后被发现的镧系元素，也是最难研究的，”同样来自橡树岭国家实验室的伊尔贾·波波夫斯博士说。

“有数千篇关于不含钷的镧系元素化学的出版物。这对所有科学来说都是一个明显的差距，”同样来自橡树岭国家实验室的 Santa Jansone-Popova 博士说。

“科学家必须假设其大部分特性。现在我们实际上可以测量其中的一些特性。”

研究人员将放射性钷与称为二甘醇酰胺配体的特殊有机分子结合或螯合。

然后，他们利用 X 射线光谱法确定了该配合物的性质，包括钷与邻近原子的化学键的长度——这是科学上的第一次，也是元素周期表中长期缺失的部分。

与其他稀土元素不同，由于没有稳定的同位素，合成钷的数量很少。

为了进行这项研究，科学家们生产了足够数量的同位素钷-147，半衰期为 2.62 年，而且纯度足够高，可以研究其化学性质。

值得注意的是，他们首次证明了整个镧系元素系列(包括原子序数为 61 的钷)在溶液中的镧系元素收缩特征。

镧系收缩是一种原子序数在 57 至 71 之间的元素比预期更小的现象。

随着这些镧系元素的原子序数增加，它们的离子半径减小。

这种收缩产生了独特的化学和电子特性，因为相同的电荷被限制在缩小的空间中。

作者得到了清晰的钷信号，这使他们能够更好地定义整个系列的趋势形状。

“从科学的角度来看，这确实令人惊讶。当我们获得所有数据后，我感到震惊，”伊万诺夫博士说。

“这种化学键的收缩沿着这个原子系列加速​​，但在钷之后，收缩速度明显减慢。”

“这是理解这些元素的化学键合性质及其在元素周期表中的结构变化的重要里程碑。”

Jansone-Popova 博士说：“除其他外，这一成就将缓解分离这些有价值元素的艰巨工作。”

“我们的团队长期以来一直致力于整个系列镧系元素的分离，但钷是最后一块拼图。这是相当具有挑战性的。”

“你不能在现代先进技术中将所有这些镧系元素混合使用，因为首先你需要将它们分离。”

“这就是收缩变得非常重要的地方;它基本上使我们能够将它们分开，这仍然是一项相当困难的任务。”

波波夫博士说：“任何我们称之为现代技术奇迹的东西，都会以某种形式包含这些稀土元素。”

“我们正在添加缺失的环节。”

该团队的论文今天发表在《自然》杂志上。