granice w chemii

wprowadzenie

Element #61 pierwotnie nazywał się „prometheum”, na sugestię żony jednego z jego odkrywców, na cześć mitycznego bohatera Prometeusza (Promethium, nowa nazwa pierwiastka 61, 1948), który ukradł ogień Zeusowi i przekazał go ludziom (Greenwood i Earnshaw, 1997a). Nazwa miała podkreślać nie tylko metodę otrzymywania pierwiastka za pomocą energii rozszczepienia jądrowego, ale także groźbę kary dla podżegaczy wojny., Według mitologii greckiej Zeus ukarał Prometeusza, przykuwając go do skały, aby był rutynowo torturowany przez orła (Cantrill, 2018). W 1950 roku Międzynarodowa Komisja równowagi atomowej nadała pierwiastkowi # 61 współczesną nazwę „promethium”, podczas gdy wszystkie stare nazwy, illinium (Harris et al., 1926), florence, cyclonium i prometheum, zostały odrzucone.

Promet (Pm) jest dobrze znany jako jedyny pierwiastek z serii lantanowców układu okresowego bez stabilnych izotopów (Burke, 2019); występuje w skorupie ziemskiej w niewielkich ilościach w niektórych Rudach uranu., Ulega rozpadowi promieniotwórczemu dwóch typów: wychwytywania elektronów i ujemnej emisji beta (Greenwood i Earnshaw, 1997b). Całe prometium, które kiedyś mogło istnieć na ziemi, gdy się uformowało, zniknęłoby w ciągu 10,000 lat.,

syntetyczny Promethium

Promethium, ostateczny lantanid, który ma zostać dodany do układu okresowego, uzyskał niezaprzeczalne dowody istnienia w 1945 roku (odkrycie, które nie zostało upublicznione do 1947 roku) przez amerykańskich chemików Jacoba Marinsky 'ego, Lawrence' a Glendenina i Charlesa Coryella (Guillaumont, 2019), który wyizolował radioaktywne izotopy 147Pm i 149PM z produktów rozszczepienia uranu w Clinton Laboratories (TN, USA). Rozszczepienie indukowane neutronami termicznymi 235U ma skumulowaną wydajność 147PM (CY) wynoszącą 2,25% (Anglia I Rider, 1994). Oznacza to, że na każde 100 fikcji 235U są 2.,Wyprodukowano 25 atomów 147Pm. 149PM CY dla termicznego rozszczepienia indukowanego neutronami 235U wynosi tylko 1,08%. Chromatografia jonowymienna została później wykorzystana w celu przekonującego ustalenia identyfikacji Pm (McGill, 2000).

kluczowe izotopy prometu podano w tabeli 1; ich zastosowania zostaną opisane w głównej części niniejszego mini przeglądu.

do tej pory znanych jest 38 różnych izotopów Pm, o okresie półtrwania od < 1 µs do 17,7(4) lat (145pm) (May and Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). Aby uzyskać szczegółowy opis izotopów prometu, które zostały odkryte do tej pory, zobacz (May and Thoennessen, 2012).

produkty rozszczepienia w paliwie jądrowym były zwykle głównym źródłem 147Pm (Broderick et al., 2019)., Do lat 70. Oak Ridge National Laboratory było bogate w 147Pm, które uzyskano tradycyjną metodą w Hanford w stanie Waszyngton (McLennan, 2018). Obecnie w Oak Ridge National Laboratory inventory nie przechowuje się już prometium, ponieważ zaprzestano przetwarzania paliwa jądrowego w USA, a obecnie nie ma znaczących źródeł 147Pm., Niemniej jednak, identycznie jak 155Eu i 171Tm, istnieje możliwość wytworzenia 147Pm przez wychwyt neutronów od 146 do 147nd, który β-rozpada się do 147pm, poprzez rozpad β 147nd, jego poprzednik o krótszym okresie półtrwania wynoszącym prawie 11 d (Knapp, 2008).

główne właściwości fizyczne i chemiczne

w 1974 r.metaliczny prometium został zredukowany z tlenku prometu z metalicznym torem w temperaturze 1600°C z dalszą destylacją prometu do kopuły kwarcowej., Za pomocą tej metody ustalono temperaturę topnienia i temperaturę przemiany fazowej prometu: odpowiednio 1042 ± 5°C i 890 ± 5°c (Angelini i Adair, 1976). Temperatura wrzenia prometium wynosi ~3000°C (McLennan, 2018).

promień jonowy prometu wynosi 110 pm (w 8-krotnej koordynacji), co jest bardzo podobne do sąsiednich pierwiastków, neodymu (112 pm) i samaru (108 pm) (McLennan, 2018). Stąd bliskie podobieństwo promieni jonowych i ten sam wspólny stan utleniania (+3) utrudniają oddzielenie Pm od Nd i Sm (Balaram, 2019)., Gdy nie istnieją stabilne izotopy, dedukcje dotyczące właściwości chemicznych mogą być wyciągnięte ze znanych surogatów chemicznych (w przypadku prometu, innych pierwiastków ziem rzadkich) (radiologiczne skażenie oceanów: przesłuchania o nadzorze przed podkomisją ds. energii i środowiska Komisji Spraw Wewnętrznych i wyspiarskich oraz Izby Reprezentantów, dziewięćdziesiąty czwarty kongres, druga sesja w sprawach dotyczących, 1976)., Do głównych związków Pm3+ należą: Pm(OH) 3 (Jasny brąz), Pm2O3 (żółty biały), PmCl3(żółty), Pm (NO3)2(Różowy), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O i Pm2 (SO4)3 (Da i Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm może również reprezentować stan utleniania +2. Właściwości termodynamiczne Pm2 + wskazują, że podobnie jak NdCl2 i SmCl2 można również otrzymać stabilne PmF2, PmCl2 i PmI2 (Sharma, 2001).

Źródła zasilania

Promethium-147 jest stosowany w bateriach atomowych o długiej żywotności (Flicker et al.,, 1964), w którym małe próbki prometium są wstawiane do matrycy półprzewodnikowej w celu przekształcenia ich emisji beta w energię elektryczną (Matheson, 1975). Średnia energia beta 147Pm jest 62 keV (Shao et al., 2017). Akumulatory Pm mogą być stosowane w przypadkach, gdy inne rodzaje akumulatorów byłyby wyjątkowo ciężkie, np. satelity lub sondy kosmiczne (Vl, 1956). Baterie radioizotopowe są zwykle albo termoelektryczne (zawierające Pu lub Am) (Wiss et al.,, 2017) na podstawie ciepła wytwarzanego z rozpadu promieniotwórczego, lub betawoltaic (alphavoltaic) na podstawie generowania pary elektron / dziura w półprzewodniku (takie jak 147pm lub innych izotopów, takich jak trytu lub 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer and Chandrashekhar, 2013; Murphy et al., 2019; Xue et al., 2019). Baterie betawoltaiczne, w porównaniu z bateriami termoelektrycznymi (Matheson, 1975), charakteryzują się mniejszym rozmiarem i bardziej rozsądną ceną. Betavoltaics mają również cechy niższej mocy lub prądu (niż termoelektryczne lub nawet akumulatory litowo-jonowe na przykład) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et al., 2006, 2007; Olsen et al., 2012; Murphy i in., 2019). Są one przydatne, gdy potrzebna jest niska moc na okresy lat. Niestety, ich okres eksploatacji nie przekracza obecnie dziesięciu lat. Najnowsze osiągnięcia w technologii betavoltaics mają jednak wydłużyć okres świadczenia usług do piętnastu lat. Na przykład Betacel®, bateria betawoltaiczna, spełnia zarówno normy korozyjne, jak i przeciwpożarowe i nadaje się do stosowania klinicznego (Spencer and Chandrashekhar, 2012) oraz w rozrusznikach serca (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Promethium-147 zasilane mikrobaterie o żywotności do 5 lat i średniej gęstości mocy 5 mW / cm3 są odpowiednimi kandydatami do wszczepiania stymulatorów serca (Gasper and Fester, 1975; Rosenkranz, 1975;Duggirala et al., 2007), gdzie użyteczna energia elektryczna jest przekształcana z energii rozpadu izotopowego (Wheelwright and Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).

pomimo szerokiego zastosowania w bateriach betawoltaicznych, promethium może być również stosowany w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych do dostarczania energii elektrycznej do sond kosmicznych (Choppin et al., 2013)., W końcu promethium znalazło również zastosowanie jako bezpośrednie, lekko ekranowane izotopowe źródło ciepła (Fullam i Van Tuyl, 1969; McNeilly i Roberts, 1969).

przenośne źródła promieniowania rentgenowskiego

chociaż promethium-147 ma niską emisję gamma (Artun, 2017), jest źródłem miękkich promieni β (Malson et al., 1980). Napromieniowanie ciężkich pierwiastków cząstkami β generuje promieniowanie rentgenowskie (Ellis-Davies et al., 1985; Labrecque et al., 1986), dlatego prometium musi być traktowane ściśle zgodnie z przepisami bezpieczeństwa. Promieniowanie rentgenowskie jest generowane, gdy dany emiter beta, 147Pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et al., 2017), współdziała z niektórymi pierwiastkami d, takimi jak kobalt, iryd, Rod, platyna, nikiel, złoto i ich mieszaniny. Źródła promieniowania zazwyczaj składają się z podłoża o powierzchni metalu nieradioaktywnego, warstwy metalu z radioaktywnego izotopu 147Pm i metalu nieradioaktywnego o dużej liczbie atomowej.

pomiary

w oparciu o promethium-147, powszechnie stosowane źródło energii beta, opracowano czujniki, które mogą mierzyć filmy tak cienkie, jak 2,54–5,08 µm (Sneller, 1979; Brown and Coats, 1981). Na przykład, Adaptive Technologies Industries, Inc., (ATI) oferuje nowoczesną technikę opartą na półprzewodnikowym cyfrowym mierniku beta, który umożliwia wykonywanie pomiarów w czasie rzeczywistym. W miernikach ATI tłumienie cząstek β jest stosowane do pomiaru grubości lub masy materiałów, w tym tworzyw sztucznych, papieru i metalu. Źródło promieniowania i detektor promieniowania są dwoma głównymi składnikami miernika ATI. Nad badanym materiałem umieszcza się masową próbkę cząstek stałych, a poniżej detektor. Detektor zlicza ilość promieniowania, które przechodzi przez materiał. Jeśli blacha staje się zbyt cienka, przechodzi przez nią więcej promieniowania., Technika ta jest również stosowana do pomiarów masy płaszcza i masy bazowej (Typpo, 2000; How beta gauge works, 2019).

Promethium-147 jako źródło promieniowania jest również używany do określania grubości liści cytrusów kwaśnej pomarańczy i słodkiej limonki o grubości 10-40 mg / cm2. Co ciekawe, ta technika pomiaru promieni β może również mierzyć zmiany zawartości wody w liściach spowodowane cyklami zwilżania i suszenia zachodzącymi w glebie (Biełorai, 1968)., Alternatywnie, izotopy 14C i 204tl były również używane do różnych pomiarów grubości masy liści (Takechi and Furudoi, 1970; Saini and Rathore, 1983). Tłumienie promieniowania β od 147Pm może być stosowane w miniaturowych sondach do pomiarów w czasie rzeczywistym zawiesiny pyłu w zakresie stężeń 0,1–2,0 kg/m3 (Slezak i Buckius, 1983). Ponadto prometium-147 jest używane jako źródło jonizacji w detektorach wychwytu elektronów do analizy pestycydów w środowisku wodnym (Lubkowitz i Parker, 1971).,

innym zastosowaniem prometium jako detektora czystego wychwytywania elektronów jest pomiar średniego czasu uwięzienia promieni kosmicznych przed ich ucieczką z galaktyki (tj. ich żywotności), który jest ważnym parametrem w ocenie źródeł i propagacji promieni kosmicznych w galaktyce. Jest on mierzony przez porównanie obfitości promieniowania kosmicznego kilku izotopów TC i Pm do sąsiednich, stabilnych izotopów., Izotopy promieniotwórcze, które są najbardziej użyteczne (143Pm i 144pm) w „zegarach kosmicznych”, to te, których czasy rozpadu są porównywalne do czasu zamknięcia (Drach i Salamon, 1987).

lasery

Pm są stosowane w laserach, które są używane do komunikacji z zanurzonymi okrętami podwodnymi (systemy łączności laserowej satellite-to-submarine lub po prostu SLC). Spektrum fluorescencji Pm3+ jest zdominowane przez przejścia przy nominalnie 933 i 1098 nm (Krupke et al., 1987). W temperaturze pokojowej kolektory te są termicznie niezamieszkane, co umożliwia czteropoziomowe działanie lasera przy T ≈ 295 K., Wysoka wydajność laserów Pm i praca przy 919 nm sprawiają, że Jon Pm3+ nadaje się do stosowania w pełni półprzewodnikowych nadajnikach laserowych SLC (Shinn et al., 1988). Lasery prometowe w stanie stałym są pompowane przez diody 2-D działające przy 770 nm (McShea et al., 1988).

Oświetlenie

Źródła światła do zegarków LCD zawierające warstwę fluorescencyjną zawierającą prometium należą do najbardziej rozpowszechnionych (Takami, 1980)., Prometium, zwykle występujące w formie utlenionej, nie jest szkodliwe dla sieci fosforowej, a jasność materiału zmniejsza się stosunkowo powoli (Takami and Matsuzawa, 1981). Ponadto farby na bazie izotopów prometu, o okresie półtrwania około 2 lat, są bezpieczniejsze niż alternatywy Radu. Promethium-147 jest szeroko stosowany nie tylko jako nocne urządzenia oświetleniowe, ale także jako samowystarczalne Źródła światła poprzez aktywację fosforanu siarczku cynku promieniowaniem β 147pm (Ravi et al., 2001). Inne zastosowanie Pm jest w luminoforach do podświetlania różnych etykiet bez zużycia energii., Po odkryciu radioaktywności rad działał w tym charakterze, dopóki nie ujawniono jego szkody. Związki prometu okazały się jednak nieszkodliwymi fosforami radioaktywnymi (Rafi i Rosli, 2018). Dlatego prometium znalazło swoje miejsce w farbach fluorescencyjnych. Związki prometowe używane do tworzenia charakterystycznego” średnio wiosennego Zielonego ” (bladoniebiesko-Zielonego) (Emsley, 2011) blasku to zwykle Pm2O3 lub Pm(OH)3 (Takami and Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi i Rosli, 2018)., Na przykład prometium było używane do oświetlania instrumentów w modułach lądowania Apollo podczas wypraw na Księżyc (English et al., 1973).

szczelne 147Pm nie stanowi zagrożenia ze względu na łatwą osłonę (Drumheller, 1968); przeciwnie, niewłaściwie przechowywane prometium staje się zagrożeniem dla środowiska.

wpływ spożycia prometu badano na zwierzętach, w tym na szczurach, królikach, świniach i psach., Po wchłonięciu przez szczury prometium jest zatrzymywane głównie w kościach, a także na końcach kosmków dystalnego jelita cienkiego przewodu pokarmowego, przy czym połowa dawki pozostała tydzień po sondowaniu (Sullivan et al., 1984). Nowsze eksperymenty na skórze szczurów zilustrowały sposoby penetracji radionuklidów (Kassai et al., 2003). Aby zidentyfikować przenikanie jonów Pm3+ do błony komórkowej, a także zewnątrzkomórkową i komórkową dystrybucję prometu, przeprowadzono badania na mięśniu gładkim aorty królika., W trakcie badań stwierdzono, że znaczne ilości prometu nie gromadzą się wewnątrz i nie są wydalane z komórek, ale jego rozkład jest właściwie opisany przez desorpcję z włókien dostępnych z powierzchni (Weiss, 1996). Gdy skóra świni jest narażona na powierzchniowe dawki prometu (do 10 Krad), cząstki β nie wpływają na charakter zależności od dawki parametrów komórek bazalnych naskórka (Zavialov et al., 1977)., Po wchłonięciu przez świnie wykazano, że większość prometu jest zatrzymywana w kościach, podobnie jak wyniki obserwowane w przypadku szczurów (Sullivan et al., 1984). Pięć i pół miesiąca po wystawieniu psów na działanie aerozoli Pm2O3, prometium stwierdzono w narządach psów głównie w płucach (44%), a także w szkielecie (24%) i w wątrobie (22%) (Stuart, 1966).

zaskakująco, od wczesnych lat 80. niewiele zostało odkryte w odniesieniu do wpływu prometium na ludzkie organy; jednak tkanki kostne są możliwymi kandydatami (Metabolic data for promethium, 1981)., Promethium-147 można zidentyfikować i przeanalizować w moczu i Kale za pomocą prostej techniki współspadania, która dotyczy głównie odchodów byłych pracowników zakładów przetwórczych promethium (Berk i Moghissi, 1985). W przypadku wdychania świetlistych farb zawierających prometium, większość z nich osadza się w płucach, praktycznie nie jest wydalana. Kilka dni po inhalacji z powodu fagocytozy aktywność ta jest obserwowana jako „hotspoty” w makrofagach w nabłonku oskrzeli i ścianach pęcherzyków płucnych, głównie na obrzeżach płatów płuc (Kraus, 1976)., Po połknięciu prometium-147 przechodzi przez przewód pokarmowy bez wchłaniania do ścian dolnego jelita grubego; dawki promieniowania można zmierzyć badając ludzkie odchody (Vennart, 1967).

w medycynie terapia promethium beta może leczyć zapalenie korzeni lędźwiowo-krzyżowych (Purdy, 1986). W szpitalu w Genewie 142Pm został użyty w generatorze in vivo do przedklinicznej pozytonowej tomografii emisyjnej (Beyer and Ruth, 2003). Promethium-149 z kolei, jako emiter Beta o średniej energii, jest odpowiednim radilolantanidem do radioterapii ukierunkowanej na receptor (Studer et al., 2019)., Wielką zaletą 149Pm jest niska intensywność emisji wyobrażalnych promieni γ (286 keV), która zapewnia in vivo śledzenie dawki terapeutycznej (Hu et al., 2002).

ponadto promethium może zapobiegać wypadaniu włosów, promować odrastanie włosów i powstawanie czarnych włosów, a także usuwać lub nawet zapobiegać łupieżowi (Kim and Choi, 2014).

wnioski, perspektywy i przestrzeń kosmiczna

tutaj podsumowaliśmy historię, techniki syntezy i główne zastosowania prometium., Chociaż największe zainteresowanie Pm miało miejsce w latach 80-tych, ostatnio zyskuje on nową uwagę: na przykład promethium znajduje się wśród strategicznych materiałów w roku modelowym 2013 Ford Fiesta, Focus, Fusion i F-150 (field et al., 2017).

oczekuje się, że przyszłe badania nad Pm doprowadzą nas w Przestrzeń Kosmiczną. Promethium jest używane jako prototypowe źródło promieniowania w próbach symulacji warunków kosmicznych na Ziemi (Hellweg et al., 2007). Ponieważ promieniowanie kosmiczne jest uznawane za najbardziej niebezpieczne dla zdrowia załogi uczestniczącej w długoterminowych misjach międzyplanetarnych (np.,, Mars), promieniowanie 147Pm jest wykorzystywane w eksperymentach biologicznych mających na celu określenie dopuszczalnego zakresu dawek napromieniania ludzkich komórek embrionalnych nerki (Hek) (Hellweg et al., 2008).

w 2004 r.odnotowano możliwą identyfikację Pm w widmach HD 965 i HD 101065 (Cowley et al., 2004). Rozpoznanie opierało się na statystycznych i tradycyjnych metodach identyfikacji liniowej (Fivet et al., 2007). Prometium jest również okazjonalnie spotykane jako nieliczne Atomy z rozpadu uranu wykryte w widmie Gwiazdy HR 465 Andromedy., Gwiazda najwyraźniej wytwarza Pm na swojej powierzchni, biorąc pod uwagę, że nie może istnieć żaden izotop Pm o okresie półtrwania dłuższym niż 145Pm. Tak więc nieuchwytne pochodzenie Pm w przestrzeni kosmicznej nie zostało jeszcze wyjaśnione (Emsley, 2011).

wkład autora

VE był odpowiedzialny za Wyszukiwanie i analizę literatury oraz wstępne przygotowanie szkicu. MK była odpowiedzialna za sformułowanie celów mini przeglądu i sfinalizowanie wstępnego projektu. Obaj autorzy przyczynili się do powstania artykułu i zatwierdzili zgłoszoną wersję.,

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

autorzy doceniają Dianę Savchenko za stworzenie genialnego abstraktu graficznego. Inspiracją dla tytułu był wiersz Alfreda Tennysona „Ulisses” (Tennyson, 1842).