grenzen in de chemie

Inleiding

Element # 61 werd oorspronkelijk “prometheum” genoemd, Op voorstel van de vrouw van een van de ontdekkers, ter ere van de mythische held Prometheus (promethium, de nieuwe naam voor Element 61, 1948), die vuur stal van Zeus en het aan mensen doorgaf (Greenwood and Earnshaw, 1997a). De naam was bedoeld om niet alleen de methode van het verkrijgen van een element met behulp van kernsplijting energie te benadrukken, maar ook de dreiging van straf voor de aanstichters van de oorlog., Volgens de Griekse mythologie strafte Zeus Prometheus door hem aan een rots te ketenen om routinematig gemarteld te worden door een adelaar (Cantrill, 2018). In 1950 gaf de International Atomic Balance Commission element #61 zijn moderne naam “promethium”, terwijl alle oude namen, illinium (Harris et al., 1926), florence, cyclonium en prometheum, werden verworpen.

Promethium (Pm) is bekend als het enige element in de lanthanide-reeks van het periodiek systeem zonder stabiele isotopen (Burke, 2019); Het komt in de aardkorst slechts in kleine hoeveelheden voor in sommige uraniumerts., Het ondergaat radioactief verval van twee soorten: elektronenvangst en negatieve bèta-emissie (Greenwood en Earnshaw, 1997b). Al het promethium, dat ooit op de aarde had kunnen bestaan toen het werd gevormd, zou binnen 10.000 jaar zijn verdwenen.,in 1945 verwierf de Amerikaanse chemici Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin en Charles Coryell (Guillaumont, 2019), die de radioactieve isotopen 147Pm en 149Pm uit uraniumsplijtingsproducten in Clinton Laboratories (TN, USA) isoleerde. De thermische neutronengeïnduceerde splijting van 235U heeft een 147pm cumulatieve opbrengst (cy) van 2,25% (England and Rider, 1994). Dit betekent voor elke 100 fissions van 235U, zijn er 2.,25 atomen van 147Pm geproduceerd. De 149PM CY voor thermische neutronengeïnduceerde splijting van 235U is slechts 1,08%. Ion-exchange chromatografie werd later gebruikt om de identificatie van Pm overtuigend vast te stellen (McGill, 2000).de belangrijkste promethiumisotopen worden gegeven in Tabel 1; de toepassingen ervan zullen in het hele hoofdgedeelte van dit minioverzicht worden beschreven.

tot op heden zijn 38 verschillende isotopen van Pm bekend, variërend in halfwaardetijd van <1 µs tot 17,7(4) jaar (145Pm) (mei en Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). Voor een gedetailleerde beschrijving van promethiumisotopen die tot op heden zijn ontdekt, zie (May and Thoennessen, 2012).

splijtingsproducten in splijtstoffen die gewoonlijk de belangrijkste bron van 147Pm zijn (Broderick et al., 2019)., Tot de jaren 1970 was het Oak Ridge National Laboratory rijk met 147Pm dat verkregen was door een traditionele methode in Hanford, Washington (McLennan, 2018). Vandaag de dag is de Oak Ridge National Laboratory inventory niet langer opslag van promethium als de verwerking van nucleaire brandstof in de VS is gestopt, en er zijn geen substantiële bronnen van 147Pm op dit moment., Niettemin, identiek aan 155Eu en 171Tm, is er een mogelijkheid om 147Pm te produceren door neutronenvangst van 146e tot 147e, Die β-vervalt tot 147Pm, Door β− verval van 147e, zijn voorganger met een kortere halfwaardetijd van bijna 11 d (Knapp, 2008).

belangrijkste fysische en chemische eigenschappen

in 1974 werd het metallisch promethium gereduceerd van het promethiumoxide met metallisch thorium bij 1.600°C met verdere destillatie van het promethium in een kwartskoepel., Met behulp van deze methode werden de smelttemperatuur en de fasetransformatietemperatuur van promethium vastgesteld: respectievelijk 1042 ± 5°C en 890 ± 5°C (Angelini en Adair, 1976). Het kookpunt van Promethium is ~3.000°C (McLennan, 2018).de Ionische straal van promethium is 110 pm (in 8-voudige coördinatie), wat sterk lijkt op de naburige elementen neodymium (112 pm) en samarium (108 pm) (McLennan, 2018). Vandaar dat de nauwe gelijkenis in Ionische radii en dezelfde gemeenschappelijke oxidatietoestand (+3) het moeilijk maken om Pm te scheiden van Nd en Sm (Balaram, 2019)., Wanneer er geen stabiele isotopen bestaan, kunnen de chemische eigenschappen worden afgeleid uit bekende chemische surrogaten (in het geval van promethium, andere zeldzame aardelementen) (radiologische besmetting van de oceanen: hoorzitting over het toezicht voor de Subcommissie energie en milieu van de Commissie Binnenlandse Zaken en insulaire Zaken en het Huis van Afgevaardigden, vierennegentigste Congres, tweede zitting over zaken die betrekking hebben op, 1976)., De belangrijkste PM3+ verbindingen zijn: Pm (OH)3 (lichtbruin), pm2o3 (geelwit), pmcl3(geel), Pm (NO3)2(Roze), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O en PM2 (SO4)3 (Da and Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm kan ook een oxidatietoestand van +2 vertegenwoordigen. Thermodynamische eigenschappen van Pm2+ geven aan dat, net als NdCl2 en SmCl2, ook stabiele pmf2, PmCl2 en PmI2 kunnen worden verkregen (Sharma, 2001).

energiebronnen

Promethium-147 wordt gebruikt in batterijen met een lange levensduur (Flicker et al.,, 1964), waarin kleine promethiummonsters worden ingebracht in een halfgeleidermatrix om hun bètaemissie om te zetten in elektriciteit (Matheson, 1975). De gemiddelde beta-energie van 147Pm is 62 keV (Shao et al., 2017). Pm-batterijen kunnen worden gebruikt in gevallen waarin andere soorten batterijen extreem zwaar zouden zijn, bijvoorbeeld satellieten of ruimtesondes (VL, 1956). Radio-isotoop batterijen zijn meestal ofwel thermo-elektrisch (met Pu of Am) (Wisss et al.,, 2017) op basis van de warmte gegenereerd door radioactief verval, of betavoltaic (alphavoltaic) op basis van elektron/gat paar generatie in een halfgeleider (zoals 147Pm of andere isotopen zoals tritium of 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer and Chandrashekhar, 2013; Murphy et al., 2019; Xue et al., 2019). Betavoltaic batterijen, in vergelijking met thermo-elektrische batterijen (Matheson, 1975), worden gekenmerkt door een kleiner formaat en een meer redelijke prijs. Betavoltaics hebben ook het kenmerk van een lager vermogen of stroom (dan thermo-elektrische of zelfs Li-ion batterijen bijvoorbeeld) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et al., 2006, 2007; Olsen et al., 2012; Murphy et al., 2019). Ze zijn nuttig wanneer laag vermogen nodig is voor periodes van jaren. Helaas, hun dienstperiode is momenteel niet langer dan tien jaar. Nieuwste ontwikkelingen in de technologie van betavoltaics, echter, worden verwacht dat de dienstperiode te verlengen tot vijftien jaar. Bijvoorbeeld, Betacel®, een betavoltaic batterij, voldoet aan zowel corrosie en crematie brand normen en is geschikt voor klinisch gebruik (Spencer and Chandrashekhar, 2012) en in cardiale pacemakers (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Promethium-147 aangedreven microbatterijen met een levensduur van maximaal 5 jaar en een gemiddelde vermogensdichtheid van 5 mW / cm3 zijn geschikte kandidaten voor implanteerbare pacemakers (Gasper and Fester, 1975; Rosenkranz, 1975; Duggirala et al., 2007), waar nuttige elektrische energie wordt omgezet van isotopische vervalenergie (Wheelwright and Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).ondanks zijn grote toepassing in betavoltaïsche batterijen, kan promethium ook worden gebruikt in thermo-elektrische generatoren voor radio-isotopen om ruimtesondes van elektriciteit te voorzien (Choppin et al., 2013)., Ten slotte heeft promethium ook zijn gebruik gevonden Als een directe licht afgeschermde isotopische warmtebron (Fullam and Van Tuyl, 1969; McNeilly and Roberts, 1969).

Draagbare Röntgenbronnen

hoewel promethium-147 een lage gamma-emissie heeft (Artun, 2017), is het een bron van zachte β-stralen (Malson et al., 1980). Bestraling van zware elementen met β-deeltjes genereert röntgenstraling (Ellis-Davies et al., 1985; Labrecque et al., 1986), dus promethium moet strikt worden behandeld volgens de veiligheidsvoorschriften. X-ray straling wordt gegenereerd wanneer een bepaalde beta-emitter, 147Pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et al., 2017), interageert met bepaalde d-elementen zoals kobalt, Iridium, rhodium, platina, nikkel, goud, en mengsels daarvan. Stralingsbronnen bestaan meestal uit een substraat met een niet-radioactief metalen oppervlak, een metaallaag van een radioactieve isotoop 147Pm, en een niet-radioactief metaal met een hoog atoomnummer.

metingen

op basis van promethium-147, een veelgebruikte energie–bètabron, zijn sensoren ontwikkeld die films zo dun als 2,54-5,08 µm kunnen meten (Sneller, 1979; Brown and Coats, 1981). Bijvoorbeeld, Adaptive Technologies Industries, Inc., (ATI) biedt een moderne techniek op basis van solid-state digitale beta gauge, die het mogelijk maakt het bereiken van real-time metingen. In ATI-meters wordt de verzwakking van β-deeltjes gebruikt voor het meten van dikte of massa van materialen zoals kunststoffen, papier en metaal. Een stralingsbron en een stralingsdetector zijn de twee hoofdbestanddelen van een ATI-meter. Een bulkmonster van Pm wordt boven het onderzochte materiaal geplaatst en een detector wordt eronder geplaatst. De detector telt de hoeveelheid straling die door het materiaal gaat. Als de metalen plaat te dun wordt, gaat er meer straling door., De techniek wordt ook gebruikt voor vacht-en basisgewichtmetingen (Typpo, 2000; How beta gauge works, 2019).

Promethium-147 als stralingsbron wordt ook gebruikt om de dikte van zure sinaasappel en zoete limoen citrus bladeren te bepalen die 10-40 mg/cm2 dik zijn. Interessant is dat deze β-ray meettechniek ook de veranderingen in het watergehalte van bladeren kan meten die worden veroorzaakt door bevochtigings-en droogcycli die in de bodem voorkomen (bielorai, 1968)., Als alternatief zijn de isotopen 14C en 204Tl ook gebruikt voor verschillende metingen van de massa van bladeren (Takechi en Furudoi, 1970; Saini en Rathore, 1983). De demping van β-straling vanaf 147Pm kan in miniatuursondes worden gebruikt voor real-time metingen van stofsuspensie in het concentratiebereik van 0,1–2,0 kg/m3 (Slezak en Buckius, 1983). Bovendien wordt promethium-147 gebruikt als ionisatiebron in elektron-capture detectoren voor het analyseren van pesticiden in wateromgevingen (lubkowitz en Parker, 1971).,een andere toepassing van promethium als een zuivere elektronenvangstdetector is het meten van de gemiddelde opsluitingstijd van kosmische stralen voordat ze uit het Melkwegstelsel ontsnappen (d.w.z. hun levensduur), wat een belangrijke parameter is bij het evalueren van de bronnen en voortplanting van kosmische stralen binnen het Melkwegstelsel. Het wordt gemeten door de abundantie van kosmische straling van verschillende TC-en Pm-isotopen te vergelijken met die van naburige stabiele isotopen., De radioactieve isotopen, die het nuttigst zijn (143Pm en 144Pm) in “kosmische klokken”, zijn die met vervaltijden vergelijkbaar met de opsluitingstijd (Drach and Salamon, 1987).

Lasers

Pm worden toegepast in lasers die worden gebruikt om te communiceren met onderzeeërs (satelliet-naar-onderzeeër lasercommunicatiesystemen of gewoon SLC). Het fluorescentiespectrum van Pm3+ wordt gedomineerd door de overgangen bij nominaal 933 en 1098 nm (Krupke et al. 1987), respectievelijk. Bij kamertemperatuur zijn deze spruitstukken thermisch onbezet, een feit dat laserwerking op vier niveaus mogelijk maakt bij T ≈ 295 K., Het hoge rendement van Pm-lasers en de werking bij 919 nm maken het PM3 + – ion geschikt voor gebruik in volledig vastestofslc-laserzenders (Shinn et al., 1988). Solid-state promethium lasers zijn gemeld te worden gepompt door 2-D diode arrays die werken bij 770 nm (McShea et al., 1988).

verlichting

Zelflichtbronnen van licht voor LCD-horloges met een fluorescentielaag die promethium bevat behoren tot de meest voorkomende (Takami, 1980)., Promethium, meestal gevonden in de geoxideerde vorm, is niet schadelijk voor het fosforrooster en de helderheid van het materiaal neemt relatief langzaam af (Takami en Matsuzawa, 1981). Bovendien zijn verven op basis van promethiumisotopen, met een halfwaardetijd van meer dan 2 jaar, veiliger dan radiumalternatieven. Promethium-147 wordt veel gebruikt, niet alleen als nachtverlichting apparaten, maar ook als zelfvoorzienende lichtbronnen door het activeren van zinksulfide fosfor met β-straling van 147Pm (Ravi et al., 2001). Een ander gebruik van Pm is in fosforen voor het markeren van verschillende etiketten zonder energieverbruik., Na de ontdekking van radioactiviteit handelde radium in deze hoedanigheid totdat de schade werd onthuld. Promethiumverbindingen bleken echter onschadelijke radioactieve fosforen te zijn (Rafi and Rosli, 2018). Daarom vond promethium zijn plaats in fluorescerende verven. De promethiumverbindingen die worden gebruikt om de karakteristieke “medium spring green” (lichtblauwgroen) (Emsley, 2011) gloed te maken zijn meestal Pm2O3 of Pm (OH)3 (Takami and Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi en Rosli, 2018)., Bijvoorbeeld, promethium werd gebruikt om instrumenten te verlichten in de Apollo landing modules tijdens de maan expedities (English et al., 1973).

gezondheidszorg

verzegeld 147Pm vormt geen gevaar doordat het gemakkelijk kan worden afgeschermd (Drumheller, 1968); omgekeerd wordt onjuist opgeslagen promethium een gevaar voor het milieu.

het effect van promethiuminname is uitgebreid bestudeerd bij dieren, waaronder ratten, konijnen, varkens en honden., Wanneer het door ratten wordt geabsorbeerd, wordt promethium voornamelijk vastgehouden in de botten en in de uiteinden van de villi van de distale dunne darm van het maagdarmkanaal, waarbij de helft van de dosis een week na het onderzoeken overblijft (Sullivan et al., 1984). Meer recente experimenten met de huid van ratten illustreerden de manieren waarop de radionucliden penetreren (Kassai et al., 2003). Om de penetratie van PM3+ – ionen in het celmembraan te identificeren, evenals de extracellulaire en cellulaire distributie van promethium, werd een studie uitgevoerd op de gladde spier van de konijnaorta., In de loop van de studie werd vastgesteld dat significante hoeveelheden promethium zich niet binnen ophopen en niet uit de cellen worden uitgescheiden, maar de verdeling ervan wordt correct beschreven door desorptie van vezels die vanaf het oppervlak toegankelijk zijn (Weiss, 1996). Wanneer varkenshuid wordt blootgesteld aan oppervlaktedoses van promethium (tot 10 krads), hebben β-deeltjes geen invloed op de aard van de dosisafhankelijkheid van de parameters van de epidermale basale cellen (Zavialov et al., 1977)., Wanneer het door varkens wordt geabsorbeerd, is aangetoond dat het grootste deel van promethium in de botten wordt vastgehouden op dezelfde wijze als de resultaten die bij ratten zijn waargenomen (Sullivan et al., 1984). Vijf en een halve maand nadat beagles werden blootgesteld aan pm2o3 aerosolen, werd promethium gevonden in de organen van honden voornamelijk in de longen (44%), evenals in het skelet (24%) en in de lever (22%) (Stuart, 1966).verrassend genoeg is er sinds het begin van de jaren ‘ 80 weinig ontdekt over het effect van promethium op menselijke organen; botweefsels zijn echter mogelijke kandidaten (metabole gegevens voor promethium, 1981)., Promethium-147 kan worden geïdentificeerd en geanalyseerd in urine en uitwerpselen met behulp van een eenvoudige co-precipitatietechniek, die voornamelijk van toepassing is op de uitwerpselen van voormalige werknemers van promethiumverwerkingsfabrieken (Berk en Moghissi, 1985). In het geval van inhalatie van promethiumhoudende lichtgevende verven, vestigt het grootste deel zich in de longen, praktisch niet uitgescheiden. Enkele dagen na inhalatie als gevolg van fagocytose, wordt de activiteit waargenomen als “hotspots” in macrofagen in bronchiale epitheel en alveolaire wanden, meestal aan de periferie van de longkwabben (Kraus, 1976)., Bij inslikken passeert promethium-147 het spijsverteringskanaal zonder geabsorbeerd te worden in de wanden van de onderste dikke darm; stralingsdoses kunnen gemeten worden door menselijke ontlasting te onderzoeken (Vennart, 1967).

in de geneeskunde kan promethium bèta-therapie lumbosacrale radiculitis genezen (Purdy, 1986). In een ziekenhuis in Genève werd 142Pm gebruikt in een in vivo generator voor preklinische positron emissie tomografie (Beyer and Ruth, 2003). Promethium-149, op zijn beurt, als een medium-energie beta-emitter, is een geschikte radilolanthanide voor receptor-gerichte radiotherapie (Studer et al., 2019)., Een groot voordeel van 149Pm is de lage intensiteit emissie van imagable γ-stralen (286 keV), die in vivo tracking van de therapeutische dosis (Hu et al., 2002).

bovendien kan promethium haaruitval voorkomen, haargroei en zwarte haarvorming bevorderen en roos verwijderen of zelfs voorkomen (Kim and Choi, 2014).

conclusies, vooruitzichten en ruimte

Hier hebben we de geschiedenis, synthesetechnieken en de belangrijkste toepassingen van promethium samengevat., Hoewel piek interesse in Pm was in de jaren 1980, het is onlangs ontvangen hernieuwde aandacht: bijvoorbeeld, promethium is gekenmerkt onder strategische materialen in de 2013 modeljaar Ford Fiesta, Focus, Fusion en F-150 (Field et al., 2017).

het toekomstige onderzoek naar Pm zal ons naar de ruimte brengen. Promethium wordt gebruikt als een prototype stralingsbron in pogingen om ruimteomstandigheden op aarde te simuleren (Hellweg et al., 2007). Aangezien kosmische straling wordt geïdentificeerd als het gevaarlijkste voor de gezondheid van de bemanning die deelneemt aan lange termijn interplanetaire missies (bijv.,, Mars), 147Pm straling wordt gebruikt in biologische experimenten gericht op de bepaling van de toegestane bestraling dosis bereik van menselijke embryonale nier (HEK) cellen overleving (Hellweg et al., 2008).

in 2004 werd de mogelijke identificatie van Pm in de spectra van HD 965 en HD 101065 gerapporteerd (Cowley et al., 2004). Erkenning was gebaseerd op statistische en traditionele lijnidentificatiemethoden (Fivet et al., 2007). Promethium wordt ook af en toe gevonden Als weinig atomen van uranium verval gedetecteerd in de HR 465 ster spectrum van Andromeda., De ster produceert blijkbaar Pm op zijn oppervlak, rekening houdend met het feit dat er geen Pm-isotoop met een halfwaardetijd langer dan 145Pm kan bestaan. De ongrijpbare oorsprong van Pm in de ruimte is dus nog niet te verklaren (Emsley, 2011).

Auteursbijdragen

VE was verantwoordelijk voor literatuuronderzoek en-analyse en eerste ontwerpvoorbereiding. MK was verantwoordelijk voor het formuleren van de mini review-doelstellingen en het afronden van het oorspronkelijke ontwerp. Beide auteurs hebben bijgedragen aan het artikel en de ingediende versie goedgekeurd.,

belangenconflict

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.

Dankbetuigingen

De auteurs erkennen Diana Savchenko voor de creatie van een briljante grafische samenvatting. De inspiratie voor de titel is ontleend aan Alfred Tennyson ‘ s Ulysses poem (Tennyson, 1842).