Grenzen in der Chemie

Einleitung

Element # 61 hieß ursprünglich „Prometheum“, auf Vorschlag der Frau eines seiner Entdecker, zu Ehren des mythischen Helden Prometheus (Promethium, der neue Name für Element 61, 1948), der Zeus Feuer stahl und es an Menschen weitergab (Greenwood und Earnshaw, 1997a). Der Name sollte nicht nur die Methode betonen, ein Element mit Kernspaltungsenergie zu erhalten, sondern auch die Androhung von Bestrafung für die Anstifter des Krieges., Nach der griechischen Mythologie bestrafte Zeus Prometheus, indem er ihn an einen Felsen verkettete, um routinemäßig von einem Adler gefoltert zu werden (Cantrill, 2018). Im Jahr 1950 gab die International Atomic Balance Commission Element # 61 seinen modernen Namen „Promethium“, während alle alten Namen, illinium (Harris et al., 1926), Florenz, cyclonium, und prometheum, wurden abgelehnt.

Promethium (Pm) ist als einziges Element in der Lanthanidreihe des Periodensystems ohne stabile Isotope bekannt (Burke, 2019); es kommt in der Erdkruste nur in winzigen Mengen in einigen Uranerzen vor., Es durchläuft den radioaktiven Zerfall von zwei Arten: Elektronen-Einfang und negative beta-emission (Greenwood und Earnshaw, 1997b). Das ganze Promethium, das einst auf der Erde existierte, als es sich bildete, wäre innerhalb von 10.000 Jahren verschwunden.,

Synthetisches Promethium

Promethium, das letzte Lanthanid, das dem Periodensystem hinzugefügt werden sollte, erhielt 1945 seinen unbestreitbaren Existenznachweis (eine Entdeckung, die erst 1947 veröffentlicht wurde) von den US-Chemikern Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin und Charles Coryell (Guillaumont, 2019), die die radioaktiven Isotope 147Pm und 149Pm von Uranspaltungsprodukten bei Clinton Laboratories (TN, USA) isolierten. Die thermische neutroneninduzierte Spaltung von 235U hat eine kumulative Ausbeute von 147Pm (CY) von 2.25% (England und Rider, 1994). Dies bedeutet, dass für jede 100-Ausgabe von 235U 2 vorhanden sind.,25 atome von 147Pm produziert. Die 149Pm CY für thermische neutroneninduzierte Spaltung von 235U beträgt nur 1,08%. Die Ionenaustauschchromatographie wurde später verwendet, um die Identifizierung von Pm überzeugend zu etablieren (McGill, 2000).

Die wichtigsten Promethiumisotope sind in Tabelle 1 aufgeführt; ihre Anwendungen werden im gesamten Hauptteil des vorliegenden Mini-Reviews beschrieben.

Bis heute sind 38 verschiedene Pm-Isotope bekannt, die in der Halbwertszeit von <1 µs bis 17,7(4) Jahre (145Pm) reichen (May und Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). Eine detaillierte Beschreibung der bisher entdeckten Promethiumisotope finden Sie unter (May und Thoennessen, 2012).

Spaltprodukte in Kernbrennstoffen waren früher die Hauptquelle für 147 PM (Broderick et al., 2019)., Bis in die 1970er Jahre war Oak Ridge National Laboratory reich an 147Pm, die durch eine traditionelle Methode in Hanford, Washington (McLennan, 2018) erhalten worden waren. Heute speichert das Oak Ridge National Laboratory Inventory kein Promethium mehr, da die Verarbeitung von Kernbrennstoff in den USA eingestellt wurde und es derzeit keine wesentlichen Quellen für 147Pm gibt., Nichtsdestotrotz besteht identisch mit 155Eu und 171Tm die Möglichkeit, 147Pm durch Neutronenfangennahme von 146Nd bis 147Nd, die β-zerfällt zu 147Pm, durch β− Zerfall von 147Nd, seinem Vorgänger mit einer kürzeren Halbwertszeit von fast 11 d (Knapp, 2008).

Hauptsächliche physikalische und chemische Eigenschaften

1974 wurde metallisches Promethium aus Promethiumoxid mit metallischem Thorium bei 1.600°C unter weiterer Destillation von Promethium in eine Quarzkuppel reduziert., Mit dieser Methode wurden die Schmelztemperatur und die Phasentransformationstemperatur von Promethium ermittelt: 1042 ± 5°C bzw. 890 ± 5°C (Angelini und Adair, 1976). Der Siedepunkt von Promethium beträgt ~3,000°C (McLennan, 2018).

Der Ionenradius von Promethium beträgt 110 pm (in 8-facher Koordination), was seinen benachbarten Elementen Neodym (112 pm) und Samarium (108 pm) sehr ähnlich ist (McLennan, 2018). Daher erschweren die enge Ähnlichkeit in ionischen Radien und der gleiche gemeinsame Oxidationszustand (+3) die Trennung von Pm von Nd und Sm (Balaram, 2019)., Wenn keine stabilen Isotope vorhanden sind, können Abzüge in Bezug auf chemische Eigenschaften von bekannten chemischen Surrogaten (im Falle von Promethium, anderen Seltenerdelementen) gezogen werden (Radiologische Kontamination der Ozeane: Anhörungen vor dem Unterausschuss für Energie und Umwelt des Ausschusses für Inneres und Insellage und des Repräsentantenhauses, Vierundneunzigster Kongress, Zweite Sitzung zu Fragen im Zusammenhang mit, 1976)., Die wichtigsten Pm3 + – Verbindungen umfassen: Pm (OH) 3 (hellbraun), Pm2O3 (gelbweiß), PmCl3 (gelb), Pm(NO3) 2 (pink), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O und Pm2(SO4) 3 (Da und Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm kann auch einen Oxidationszustand von +2 darstellen. Thermodynamische Eigenschaften von Pm2+ zeigen an, dass ähnlich wie NdCl2 und SmCl2 auch stabile PmF2, PmCl2 und PmI2 erhalten werden können (Sharma, 2001).

Stromquellen

Promethium-147 wird in langlebigen Atombatterien verwendet (Flicker et al.,, 1964), in dem kleine Promethiumproben in eine Halbleitermatrix eingefügt werden, um ihre Beta-Emission in Elektrizität umzuwandeln (Matheson, 1975). Die mittlere Betaenergie von 147Pm beträgt 62 keV (Shao et al., 2017). Pm-Batterien können in Fällen verwendet werden, in denen andere Arten von Batterien extrem schwer sind, z. B. Satelliten oder Raumsonden (Vl, 1956). Radioisotopenbatterien sind in der Regel entweder thermoelektrisch (mit Pu oder Am) (Wiss et al.,, 2017) basierend auf der Wärme, die durch radioaktiven Zerfall erzeugt wird, oder Betavoltaic (Alphavoltaic) basierend auf Elektronen/Loch-Paarerzeugung in einem Halbleiter (wie 147Pm oder anderen Isotopen wie Tritium oder 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer und Chandrashekhar, 2013; Murphy et al., 2019; Xue et al., 2019). Betavoltaikbatterien zeichnen sich im Vergleich zu thermoelektrischen Batterien (Matheson, 1975) durch eine geringere Größe und einen günstigeren Preis aus. Betavoltaics haben auch die Eigenschaft einer geringeren Leistung oder Strom (als thermoelektrische oder sogar Li-Ion-Batterien zum Beispiel) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et al., 2006, 2007; Olsen et al., 2012; Murphy et al., 2019). Sie sind nützlich, wenn jahrelang wenig Strom benötigt wird. Leider überschreitet ihre Dienstzeit derzeit zehn Jahre nicht. Es wird jedoch erwartet, dass die neuesten Fortschritte in der Betavoltaik-Technologie die Lebensdauer auf fünfzehn Jahre verlängern werden. Zum Beispiel erfüllt Betacel®, eine Betavoltaic-Batterie, sowohl Korrosions-als auch Verbrennungsbrandstandards und ist für den klinischen Einsatz geeignet (Spencer und Chandrashekhar, 2012) und in Herzschrittmachern (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Promethium-147 angetriebene Mikrobatterien mit einer Lebensdauer von bis zu 5 Jahren und einer durchschnittlichen Leistungsdichte von 5 mW / cm3 sind geeignete Kandidaten für implantierbare Herzschrittmacher (Gasper und Fester, 1975; Rosenkranz, 1975; Duggirala et al., 2007), wo nützliche elektrische Energie aus Isotopenverfallsenergie umgewandelt wird (Wheelwright und Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).

Trotz seiner umfangreichen Anwendung in Betavoltaikbatterien kann Promethium auch in radioisotopenthermoelektrischen Generatoren verwendet werden, um Strom für Raumsonden bereitzustellen (Choppin et al., 2013)., Schließlich hat Promethium auch seine Verwendung als direkte leicht abgeschirmte Isotopenwärmequelle gefunden (Fullam und Van Tuyl, 1969; McNeilly und Roberts, 1969).

Tragbare Röntgenquellen

Obwohl Promethium-147 eine geringe Gammaemission aufweist (Artun, 2017), ist es eine Quelle weicher β-Strahlen (Malson et al., 1980). Die Bestrahlung schwerer Elemente mit β-Partikeln erzeugt Röntgenstrahlung (Ellis-Davies et al., 1985; Labrecque et al., 1986), daher muss Promethium streng nach Sicherheitsvorschriften gehandhabt werden. Röntgenstrahlung wird erzeugt, wenn ein bestimmter Beta-Emitter, 147Pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et al., 2017), interagiert mit bestimmten d-Elementen wie Kobalt, Iridium, Rhodium, Platin, Nickel, Gold und Mischungen davon. Strahlungsquellen bestehen typischerweise aus einem Substrat mit einer nicht radioaktiven Metalloberfläche, einer Metallschicht eines radioaktiven Isotops 147Pm und einem nicht radioaktiven Metall mit einer hohen Ordnungszahl.

Messungen

Basierend auf Promethium-147, einer häufig verwendeten Energie-Beta-Quelle, wurden Sensoren entwickelt, die Filme mit einer Dicke von 2,54–5,08 µm messen können (Sneller, 1979; Brown und Coats, 1981). Zum Beispiel, Adaptive Technologien Industries, Inc., (ATI) bietet eine moderne Technik auf Basis von Solid-State Digital Beta Gauge, die Echtzeit-Messungen ermöglicht. In ATI-Messgeräten wird die β-Partikeldämpfung zur Dicke-oder Massenmessung von Materialien einschließlich Kunststoffen, Papier und Metall verwendet. Eine Strahlungsquelle und ein Strahlungsdetektor sind die beiden Hauptbestandteile eines ATI-Messgeräts. Eine Massenprobe von Pm wird über dem untersuchten Material platziert und ein Detektor wird darunter platziert. Der Detektor zählt die Strahlungsmenge, die durch das Material strömt. Wenn das Blech zu dünn wird, geht mehr Strahlung durch., Die Technik wird auch für Mantel-und Basisgewichtsmessungen verwendet (Typpo, 2000; How beta Gauge works, 2019).

Promethium-147 als Strahlungsquelle wird auch verwendet, um die Dicke von sauren Orangen-und Süßkalk-Zitrusblättern mit einer Dicke von 10-40 mg/cm2 zu bestimmen. Interessanterweise kann diese β-ray-Messtechnik auch die Veränderungen des Wassergehalts von Blättern messen, die durch Benetzungs-und Trocknungszyklen im Boden verursacht werden (Bielorai, 1968)., Alternativ wurden die Isotope 14C und 204Tl auch für verschiedene Messungen der Blattmassendicke verwendet (Takechi und Furudoi, 1970; Saini und Rathore, 1983). Die Dämpfung der β-Strahlung ab 147Pm kann in Miniatursonden für Echtzeitmessungen der Staubsuspension im Konzentrationsbereich von 0,1-2,0 kg/m3 verwendet werden (Slezak und Buck, 1983). Darüber hinaus wird Promethium-147 als Ionisationsquelle in Elektronenfangdetektoren zur Analyse von Pestiziden in Wasserumgebungen verwendet (Lubkowitz und Parker, 1971).,

Eine weitere Anwendung von Promethium als reiner Elektronenfangdetektor ist die Messung der mittleren Einschlusszeit kosmischer Strahlen vor ihrer Flucht aus der Galaxie (d. H. Ihrer Lebensdauer), was ein wichtiger Parameter bei der Bewertung der Quellen und der Ausbreitung kosmischer Strahlen innerhalb der Galaxie ist. Es wird gemessen, indem die kosmischen Strahlenhäufigkeiten mehrerer Tc-und Pm-Isotope mit denen benachbarter, stabiler Isotope verglichen werden., Die radioaktiven Isotope, die in „kosmischen Uhren“ am nützlichsten sind (143Pm und 144Pm), sind solche mit Zerfallszeiten, die mit der Sperrzeit vergleichbar sind (Drach und Salamon, 1987).

Laser

Pm wird in Lasern angewendet, die zur Kommunikation mit untergetauchten U-Booten (Satelliten-zu-U-Boot-Laserkommunikationssysteme oder einfach SLC) verwendet werden. Das Fluoreszenzspektrum von Pm3+ wird von den Übergängen bei nominal 933 und 1098 nm dominiert (Krupke et al., 1987), respectively. Bei Raumtemperatur sind diese Verteiler thermisch unbesetzt, was eine vierstufige Laserwirkung bei T ≈ 295 K ermöglicht., Die hohe Effizienz von Pm-Lasern und der Betrieb bei 919 nm machen das Pm3 + Ion für den Einsatz in vollständig Festkörper-SLC-Lasersendern geeignet (Shinn et al., 1988). Es wurde berichtet, dass Festkörper-Promethiumlaser von 2-D-Diodenarrays gepumpt werden, die bei 770 nm arbeiten (McShea et al., 1988).

Beleuchtung

Selbstleuchtende Lichtquellen für LCD-Uhren, die eine promethiumhaltige Fluoreszenzschicht enthalten, gehören zu den am weitesten verbreiteten (Takami, 1980)., Promethium, das gewöhnlich in der oxidierten Form gefunden wird, ist für das Phosphorgitter nicht schädlich und die Leuchtkraft des Materials nimmt relativ langsam ab (Takami und Matsuzawa, 1981). Darüber hinaus sind Farben auf der Basis von Promethiumisotopen mit einer Halbwertszeit von mehr als 2 Jahren sicherer als Radiumalternativen. Promethium-147 ist weit verbreitet nicht nur als Nachtlichtgeräte, sondern auch als selbsttragende Lichtquellen durch Aktivierung von Zinksulfid Phosphor mit β-Strahlung von 147Pm (Ravi et al., 2001). Eine weitere Verwendung von Pm ist in Leuchtstoffen zur Hervorhebung verschiedener Etiketten ohne Energieverbrauch., Nach der Entdeckung der Radioaktivität handelte Radium in dieser Eigenschaft, bis sein Schaden aufgedeckt wurde. Promethiumverbindungen erwiesen sich jedoch als harmlose radioaktive Leuchtstoffe (Rafi und Rosli, 2018). Daher fand Promethium seinen Platz in fluoreszierenden Farben. Die Promethiumverbindungen, die verwendet werden, um das charakteristische „mittlere Frühlingsgrün“ (hellblau-grün) (Emsley, 2011) zum Leuchten zu bringen, sind normalerweise Pm2O3 oder Pm(OH)3 (Takami und Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi und Rosli, 2018)., Zum Beispiel wurde Promethium verwendet, um Instrumente in den Apollo-Landungsmodulen während der Mondexpeditionen zu beleuchten (English et al., 1973).

Versiegelte 147Pm stellen keine Gefahr dar, da sie leicht abgeschirmt werden können (Drumheller, 1968); Im Gegensatz dazu wird falsch gelagertes Promethium zu einer Umweltgefahr.

Die Wirkung der Promethiumaufnahme wurde umfassend an Tieren, einschließlich Ratten, Kaninchen, Schweinen und Hunden, untersucht., Bei Resorption durch Ratten wird Promethium vorwiegend in den Knochen sowie in den Spitzen der Zotten des distalen Dünndarms des Gastrointestinaltrakts zurückgehalten, wobei die Hälfte der Dosis eine Woche nach der Sondierung verbleibt (Sullivan et al., 1984). Neuere Experimente an Rattenhaut illustrierten die Wege der Radionuklidpenetration (Kassai et al., 2003). Um das Eindringen von Pm3+ – Ionen in die Zellmembran sowie die extrazelluläre und zelluläre Verteilung von Promethium zu identifizieren, wurde eine Studie an der glatten Muskulatur der Kaninchenaorta durchgeführt., Im Verlauf der Studie wurde festgestellt, dass sich keine signifikanten Mengen an Promethium im Inneren ansammeln und nicht aus den Zellen ausgeschieden werden, aber seine Verteilung wird durch Desorption von Fasern, die von der Oberfläche zugänglich sind, richtig beschrieben (Weiss, 1996). Wenn die Schweinehaut Oberflächendosen von Promethium (bis zu 10 krads) ausgesetzt ist, beeinflussen β-Partikel nicht die Art der Dosisabhängigkeit der Parameter der epidermalen Basalzellen (Zavialov et al., 1977)., Wenn es von Schweinen absorbiert wird, hat sich gezeigt, dass der größte Teil von Promethium ähnlich wie bei Ratten in den Knochen zurückgehalten wird (Sullivan et al., 1984). Fünfeinhalb Monate nach der Exposition von Beagles gegenüber Pm2O3-Aerosolen wurde Promethium in den Organen von Hunden hauptsächlich in der Lunge (44%) sowie im Skelett (24%) und in der Leber (22%) gefunden (Stuart, 1966).

Überraschenderweise wurde seit Anfang der 80er Jahre wenig über die Wirkung von Promethium auf menschliche Organe entdeckt; Knochengewebe sind jedoch mögliche Kandidaten (Metabolic data for Promethium, 1981)., Promethium-147 kann in Urin und Kot mit einer einfachen Ko-Fällungstechnik identifiziert und analysiert werden, die hauptsächlich für die Exkremente ehemaliger Mitarbeiter von Promethiumverarbeitungsanlagen gilt (Berk und Moghissi, 1985). Im Falle der Inhalation von promethiumhaltigen Leuchtfarben setzt sich das meiste davon in der Lunge ab und wird praktisch nicht ausgeschieden. Einige Tage nach der Inhalation aufgrund von Phagozytose wird die Aktivität als „Hotspots“ bei Makrophagen im Bronchialepithel und in den Alveolarwänden beobachtet, meist an der Peripherie der Lungenlappen (Kraus, 1976)., Beim Verschlucken passiert Promethium-147 den Verdauungstrakt, ohne in die Wände des unteren Dickdarms absorbiert zu werden; Strahlendosen können durch Untersuchung von menschlichen Fäkalien gemessen werden (Vennart, 1967).

In der Medizin kann die Promethium-Beta-Therapie lumbosakrale Radikulitis heilen (Purdy, 1986). In einem Genfer Krankenhaus wurde 142Pm in einem In-vivo-Generator für die präklinische Positronenemissionstomographie verwendet (Beyer und Ruth, 2003). Promethium-149 wiederum ist als mittelenergetischer Beta-Emitter ein geeignetes Radilolanthanid für die rezeptor-gezielte Strahlentherapie (Studer et al., 2019)., Ein großer Vorteil von 149Pm ist die geringe Emission von bildbaren γ-Strahlen (286 keV), die eine In-vivo-Verfolgung der therapeutischen Dosis ermöglicht (Hu et al., 2002).

Darüber hinaus kann Promethium Haarausfall verhindern, das Nachwachsen der Haare und die Bildung von schwarzen Haaren fördern sowie Schuppen entfernen oder sogar verhindern (Kim und Choi, 2014).

Schlussfolgerungen, Ausblick und Weltraum

Hier haben wir die Geschichte, Synthesetechniken und die wichtigsten Anwendungen von Promethium zusammengefasst., Obwohl das Hauptinteresse an Pm in den 1980er Jahren lag, hat es kürzlich neue Aufmerksamkeit erhalten: Promethium gehört beispielsweise zu den strategischen Materialien im Modelljahr 2013 Ford Fiesta, Focus, Fusion und F-150 (Field et al., 2017).

Die zukünftige Pm-Forschung wird uns voraussichtlich in den Weltraum bringen. Promethium wird als Prototyp-Strahlungsquelle bei Versuchen verwendet, die Weltraumbedingungen auf der Erde zu simulieren (Hellweg et al., 2007). Da die kosmische Strahlung als die gefährlichste für die Gesundheit der Besatzung identifiziert wird, die an langfristigen interplanetaren Missionen teilnimmt (z., Mars), 147Pm Strahlung verwendet wird, die in biologischen Experimenten, die bei der Bestimmung der zulässigen Strahlendosis Reihe von menschlichen embryonalen Nieren (HEK) Zellen überleben (Hellweg et al., 2008).

Im Jahr 2004 wurde über die mögliche Identifizierung von Pm in den Spektren von HD 965 und HD 101065 berichtet (Cowley et al., 2004). Die Anerkennung basierte auf statistischen und traditionellen Zeilenidentifizierungsmethoden (Fivet et al., 2007). Promethium wird gelegentlich auch als wenige Atome aus Uranzerfall gefunden, die im HR 465-Sternspektrum von Andromeda nachgewiesen wurden., Der Stern produziert offensichtlich Pm auf seiner Oberfläche, wobei zu berücksichtigen ist, dass kein Pm-Isotop mit einer Halbwertszeit länger als die von 145Pm existieren kann. Daher muss der schwer fassbare Ursprung von Pm im Weltraum noch erklärt werden (Emsley, 2011).

Autorenbeiträge

VE war verantwortlich für Literaturrecherche und-analyse sowie erste Entwurfsvorbereitung. MK war verantwortlich für die Formulierung der Mini-Review-Ziele und den Abschluss des ersten Entwurfs. Beide Autoren haben zu dem Artikel beigetragen und die eingereichte Version genehmigt.,

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Die Autoren würdigen Diana Savchenko für die Erstellung einer brillanten grafischen Zusammenfassung. Die Inspiration für den Titel stammt aus Alfred Tennysons Ulysses-Gedicht (Tennyson, 1842).