gränser i kemi

introduktion

Element #61 kallades ursprungligen ”prometheum”, på förslag av hustrun till en av dess upptäckare, för att hedra den mytiska hjälten Prometheus (Promethium, det nya namnet för Element 61, 1948), som stal eld från Zeus och passerade det till människor (Greenwood och Earnshaw, 1997a). Namnet var tänkt att betona inte bara metoden att erhålla ett element med hjälp av kärnfissionsenergi, men också hotet om straff till krigsinstiftarna., Enligt grekisk mytologi straffade Zeus Prometheus genom att kedja honom till en sten för att rutinmässigt torteras av en örn (Cantrill, 2018). 1950, International Atomic Balans-Kommissionen gav element #61 dess moderna namn ”promethium”, medan alla de gamla namnen, illinium (Harris et al., 1926), Florens, cyklonium och prometheum, avvisades.

Prometium (Pm) är välkänt som det enda elementet i lanthanidserien i det periodiska tabellen utan stabila isotoper (Burke, 2019); Det förekommer i jordskorpan i endast små mängder i vissa uranmalmer., Det genomgår radioaktivt sönderfall av två typer: elektronfångst och negativt betautsläpp (Greenwood och Earnshaw, 1997b). Allt prometium, som en gång kunde ha funnits på jorden när det bildades, skulle ha försvunnit inom 10 000 år.,

Syntetiska Promethium

Promethium, den sista lanthanide att läggas till i det periodiska systemet, förvärvade sin obestridliga bevis för förekomsten 1945 (en upptäckt som offentliggjordes inte förrän 1947) av USA kemister Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin och Charles Coryell ’ (Guillaumont, 2019), som isolerade den radioaktiva isotoper 147Pm och 149Pm från fission av uran produkter på Clinton Laboratorier (TN, USA). Den termiska neutroninducerade fissionen av 235U har en 147pm kumulativ avkastning (CY) på 2,25% (England och Rider, 1994). Detta innebär för varje 100 fissioner av 235U, det finns 2.,25 atomer av 147Pm produceras. 149Pm CY för termisk neutroninducerad fission av 235U är endast 1,08%. Jonbyteskromatografi användes senare för att övertygande fastställa Pm: s identifiering (McGill, 2000).

nyckelprometiumisotoper ges i Tabell 1; deras tillämpningar kommer att beskrivas i hela huvuddelen av den nuvarande miniöversynen.

hittills är 38 olika isotoper av Pm kända, allt i halveringstid från<1 µs till 17,7(4) år (145Pm) (maj och Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). För en detaljerad beskrivning av prometiumisotoper som hittills har upptäckts, se (maj och Thönessen, 2012).

fissionsprodukter i kärnbränsle som normalt används för att vara den huvudsakliga källan till 147Pm (Broderick et al., 2019)., Fram till 1970-talet var Oak Ridge National Laboratory rikt med 147Pm som hade erhållits genom en traditionell metod i Hanford, Washington (McLennan, 2018). I dag lagrar Oak Ridge National Laboratory inventory inte längre prometium eftersom bearbetningen av kärnbränsle i USA har stoppats, och det finns för närvarande inga betydande källor till 147Pm., Ändå, på samma sätt till 155Eu och 171Tm, det är en möjlighet att producera 147Pm av neutron capture av 146Nd att 147Nd, som β-sönderfaller till 147Pm, genom β− sönderfallet av 147Nd, sin föregångare med en kortare livslängd på nästan 11 d (Knapp, 2008).

huvudsakliga fysikaliska och kemiska egenskaper

1974 reducerades metalliskt prometium från prometiumoxid med metalliskt torium vid 1600°C med ytterligare destillation av prometium till en kvartskupol., Med denna metod fastställdes smälttemperaturen och fastransformationstemperaturen för prometium: 1042 ± 5°C respektive 890 ± 5°C (Angelini och Adair, 1976). Promethium är kokpunkten ~3,000°C (McLennan, 2018).

prometiums Joniska radie är 110 pm (i 8-faldig samordning), som mycket liknar dess närliggande element, neodym (112 pm) och samarium (108 pm) (McLennan, 2018). Därför gör den nära likheten i Joniska radier och samma vanliga oxidationstillstånd (+3) det svårt att skilja Pm från nd och Sm (Balaram, 2019)., När det inte finns några stabila isotoper kan avdrag för kemiska egenskaper dras från kända kemiska surrogat (vid prometium, andra sällsynta jordartsmetaller) (radiologisk förorening av oceanerna: Tillsynsförhör inför Underutskottet för energi och miljö i utskottet för inre och inre angelägenheter och representanthuset, Nittiofjärde kongressen, andra sessionen i frågor som rör 1976)., De viktigaste Pm3+ föreningar är: Pm(OH)3 (ljusbrun), Pm2O3 (gul vit), PmCl3 (gul), Pm(NO3)2 (rosa), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O och Pm2(SO4)3 (Da och Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm kan också representera ett oxidationstillstånd på +2. Termodynamiska egenskaper av Pm2+ visa att, likaså att NdCl2 och SmCl2, stabil PmF2, PmCl2 och PmI2 kan också erhållas (Sharma, 2001).

strömkällor

Prometium-147 används i atombatterier med lång livslängd (Flicker et al.,, 1964), där småskaliga prometiumprover sätts in i en halvledarmatris för att omvandla deras beta-utsläpp till El (Matheson, 1975). Den genomsnittliga betaenergi av 147Pm är 62 keV (Shao et al., 2017). Pm-batterier kan användas i fall där andra typer av batterier skulle vara extremt tunga, t.ex. satelliter eller rymdsonder (Vl, 1956). Radioisotopbatterier är vanligtvis antingen termoelektriska (innehållande Pu eller Am) (Wiss et al.,, 2017) baserat på den värme som alstras av radioaktivt sönderfall, eller betavoltaisk (alfavoltaisk) baserad på alstring av elektron – /hålpar i halvledare (t.ex. 147Pm eller andra isotoper som tritium eller 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer och Chandrashekhar, 2013; Murphy et al., 2019; Xue et al., 2019). Betavoltaiska batterier, jämfört med termoelektriska batterier (Matheson, 1975), kännetecknas av en mindre storlek och ett mer rimligt pris. Betavoltaik har också egenskapen för lägre effekt eller ström (än termoelektriska eller till och med Li-ion-batterier till exempel) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et al., 2006, 2007; Olsen m.fl., 2012; Murphy et al., 2019). De är användbara när låg effekt behövs under perioder av år. Tyvärr överstiger deras tjänsteperiod för närvarande inte tio år. De senaste framstegen inom betavoltaiktekniken förväntas dock förlänga tjänsteperioden till femton år. Betacel®, ett betavoltaiskt batteri, uppfyller till exempel både korrosions-och kremeringsbrandstandarder och är lämplig för klinisk användning (Spencer och Chandrashekhar, 2012) och i hjärtpacemakers (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Promethium-147 drivs microbatteries med en livslängd på upp till 5 år och en genomsnittlig effekttäthet på 5 mW/cm3 är lämpliga kandidater för implanterbara pacemaker (Gasper och Gro, 1975; Rosenkranz, 1975; Duggirala et al., 2007), där användbar elektrisk kraft omvandlas från isotop sönderfallsenergi (Wheelwright och Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).

trots sin omfattande tillämpning i betavoltaiska batterier, prometium kan också användas i radioisotop termoelektriska generatorer för att ge el för rymdsonder (Choppin et al., 2013)., Slutligen, promethium har också funnit sin användning som en direkt lätt avskärmad isotopic värmekälla (Fullam och Van Tuyl, 1969; McNeilly och Roberts, 1969).

bärbara röntgenkällor

även om prometium-147 har låg gammautsläpp (Artun, 2017), är det en källa till mjuka β-strålar (Malson et al., 1980). Bestrålning av tunga element med β-partiklar genererar röntgenstrålning (Ellis-Davies et al. 1985; Labrecque m.fl., 1986), därför måste prometium hanteras strikt enligt säkerhetsföreskrifter. Röntgenstrålning skapas när en viss beta-sändare, 147Pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et al., 2017), interagerar med vissa d-element som kobolt, iridium, rodium, platina, nickel, guld och blandningar därav. Strålkällor består vanligtvis av ett substrat med en icke-radioaktiv metallyta, ett metallskikt av en radioaktiv isotop 147Pm och en icke-radioaktiv metall med ett högt atomnummer.

mätningar

baserat på prometium-147, en vanlig energibetakälla, har sensorer utvecklats som kan mäta filmer så tunna som 2,54-5,08 µm (Sneller, 1979; Brown and Coats, 1981). Till exempel Adaptive Technologies Industries, Inc., (Ati) erbjuder en modern teknik baserad på solid state digital beta gauge, vilket gör det möjligt att uppnå realtidsmätningar. I ati-mätare används β-partikeldämpning för tjocklek eller massmätning av material inklusive plast, papper och metall. En strålkälla och en strålningsdetektor är de två huvudbeståndsdelarna i en ati-mätare. Ett bulkprov av Pm placeras ovanför det undersökta materialet och en detektor placeras nedan. Detektorn räknar mängden strålning som passerar genom materialet. Om metallplåten blir för tunn, passerar mer strålning genom., Tekniken används också för beläggnings – och grundviktmätningar (Typpo, 2000; hur beta gauge fungerar, 2019).

Prometium-147 som strålningskälla används också för att bestämma tjockleken på sura orange och söta lime citrusblad som är 10-40 mg / cm2 tjocka. Intressant kan denna β-ray-mätteknik också mäta förändringarna i vattenhalten i löv som orsakas av vätning och torkcykler som uppstår i jorden (Bielorai, 1968)., Alternativt har isotoperna 14C och 204Tl också använts för olika massmätningar av blad (Takechi och Furudoi, 1970; Saini och Rathore, 1983). Dämpningen av β-strålning från 147Pm kan användas i miniatyrprober för realtidsmätningar av dammsuspension i koncentrationsområdet 0,1-2,0 kg / m3 (Slezak och Buckius, 1983). Dessutom används prometium-147 som en joniseringskälla i elektroninfångningsdetektorer för analys av bekämpningsmedel i vattenmiljöer (Lubkowitz och Parker, 1971).,

en annan tillämpning av prometium som en ren elektronfångstdetektor är mätningen av den genomsnittliga inneslutningstiden för kosmiska strålar före deras flykt från galaxen (dvs. deras livstid), vilket är en viktig parameter för att utvärdera källorna och utbredningen av kosmiska strålar inom galaxen. Det mäts genom att jämföra kosmiska-ray överflöd av flera TC och Pm isotoper till de närliggande, stabila isotoper., De radioaktiva isotoperna, som är mest användbara (143Pm och 144Pm) i ”kosmiska klockor”, är de med sönderfallstider som är jämförbara med inneslutningstiden (Drach och Salamon, 1987).

lasrar

Pm appliceras i lasrar som används för att kommunicera med nedsänkta ubåtar (satellit-till-ubåt laserkommunikationssystem eller helt enkelt SLC). Fluorescensspektrumet för Pm3 + domineras av övergångarna vid nominellt 933 och 1098 nm (Krupke et al. 1987), respektive. Vid rumstemperatur är dessa grenrör termiskt obesatta, ett faktum som möjliggör fyra nivåer laseraction at T 295 K., Den höga effektiviteten i Pm lasrar och drift vid 919 nm göra Pm3+ – jonen är lämplig för användning i helt solid-state SLC laser sändare (Shinn et al., 1988). Halvledarprometiumlasrar har rapporterats pumpas med 2-D-diodmatriser som arbetar vid 770 nm (McShea et al., 1988).

belysning

självlysande ljuskällor för LCD-klockor som innehåller ett prometiuminnehållande fluorescerande skikt är bland de mest utbredda (takami, 1980)., Prometium, som vanligtvis finns i den oxiderade formen, är inte skadligt för fosforgitteret och materialets luminositet minskar relativt långsamt (Takami och Matsuzawa, 1981). Dessutom är färger baserade på prometiumisotoper, som har en halveringstid på mer än 2 år, säkrare än radiumalternativ. Prometium-147 används ofta inte bara som nattbelysning, men också som självbärande ljuskällor genom att aktivera zinksulfidfosfor med β-strålning av 147Pm (Ravi et al., 2001). En annan användning av Pm är i fosfor för att markera olika etiketter utan energiförbrukning., Efter upptäckten av radioaktivitet agerade radium i denna kapacitet tills dess skada avslöjades. Prometiumföreningar visade sig dock vara ofarliga radioaktiva fosfor (Rafi Och Rosli, 2018). Därför fann prometium sin plats i fluorescerande färger. Den promethium föreningar som används för att göra den karakteristiska ”medium spring green” (blekt blå-grön) (Emsley, 2011) glow är oftast Pm2O3 eller Pm(OH)3 (Takami och Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi och Rosli, 2018)., Till exempel användes prometium för att belysa instrument i Apollo-landningsmodulerna under månens expeditioner (engelska et al., 1973).

hälso-och sjukvård

förseglad 147Pm utgör inte fara på grund av att den är lätt avskärmad (Drumheller, 1968); kontrariwise, felaktigt lagrad prometium blir en miljörisk.

effekten av prometiumintaget har studerats på djur, inklusive råttor, kaniner, svin och hundar., När prometium absorberas av råttor hålls prometium övervägande i benen såväl som i spetsarna på villi i den distala tunntarmen i mag-tarmkanalen, med hälften av dosen kvar en vecka efter sondering (Sullivan et al., 1984). Nyare experiment på råttans hud illustrerade sätten för radionuklidernas penetration (Kassai et al., 2003). För att identifiera penetrationen av Pm3 + joner i cellmembranet, liksom den extracellulära och cellulära fördelningen av prometium, genomfördes en studie på kaninens aortas glatta muskel., Under studien visade det sig att betydande mängder prometium inte ackumuleras inuti och utsöndras inte från cellerna, men dess fördelning beskrivs korrekt genom desorption från fibrer som är tillgängliga från ytan (Weiss, 1996). När grishud utsätts för ytdoser av prometium (upp till 10 krads) påverkar β-partiklar inte arten av dosberoende av parametrarna för epidermala basalceller (Zavialov et al., 1977)., När det absorberas av grisar har det visats att det mesta av prometium hålls kvar i benen på samma sätt som de resultat som observerats hos råttor (Sullivan et al., 1984). Fem och en halv månad efter beagles utsattes för Pm2O3 aerosoler, prometium hittades i hundens organ huvudsakligen i lungorna (44%), såväl som i skelettet (24%) och i levern (22%) (Stuart, 1966).

överraskande, sedan början av 80-talet har lite upptäckts angående effekten prometium har på mänskliga organ; men benvävnader är möjliga kandidater (metaboliska data för prometium, 1981)., Prometium-147 kan identifieras och analyseras i urin och avföring med hjälp av en enkel Co-nederbördsteknik, som huvudsakligen gäller excrements av tidigare anställda i promethiumbearbetningsanläggningar (Berk och Moghissi, 1985). Vid inandning av prometiumhaltiga ljusfärger bosätter sig det mesta i lungorna, praktiskt taget inte utsöndras. Några dagar efter inandning på grund av fagocytos observeras aktiviteten som ”hotspots” i makrofager i bronkialepitel och alveolära väggar, mestadels i periferin av lungloberna (Kraus, 1976)., Vid förtäring passerar prometium-147 genom matsmältningsorganet utan att absorberas i väggarna i den nedre tjocktarmen. stråldoser kan mätas genom att undersöka mänskliga avföring (Vennart, 1967).

i medicin kan prometium beta-terapi bota lumbosakral radikulit (Purdy, 1986). Vid ett Genèvesjukhus användes 142Pm i en in vivo-generator för preklinisk positronemissionstomografi (Beyer och Ruth, 2003). Prometium-149, i sin tur, som en medel-energi beta-emitter, är en lämplig radilolanthanid för receptor-riktade strålbehandling (Studer et al., 2019)., En stor fördel med 149Pm är dess låga intensitet utsläpp av imageable γ-strålar (286 keV), som ger in vivo-spårning av den terapeutiska dosen (Hu et al., 2002).

dessutom kan prometium förhindra håravfall, främja håråterväxt och svart hårbildning samt ta bort eller till och med förhindra mjäll (Kim och Choi, 2014).

slutsatser, utsikter och yttre rymden

Här har vi sammanfattat historia, syntesteknik och de stora tillämpningarna av prometium., Även Topp intresse för Pm var på 1980 – talet, det har nyligen fått förnyad uppmärksamhet: till exempel, prometium är med bland strategiska material i 2013 årsmodell Ford Fiesta, Focus, Fusion och F-150 (Field et al., 2017).

den framtida forskningen om Pm förväntas föra oss in i yttre rymden. Prometium används som en prototyp strålningskälla i försök att simulera rymdförhållanden på jorden (Hellweg et al., 2007). Eftersom kosmisk strålning identifieras som den mest farliga för besättningens hälsa som deltar i långsiktiga interplanetära uppdrag (t. ex.,, Mars), 147Pm strålning används i biologiska experiment som syftar till att bestämma den tillåtna bestrålning dosintervall av human embryonal njure (HEK) celler överlevnad (Hellweg et al., 2008).

2004, den eventuella identifiering av Pm i spektra av HD 965 och HD 101065 rapporterats (Cowley et al., 2004). Erkännandet baserades på statistiska och traditionella metoder för linjeidentifiering (Fivet et al., 2007). Prometium finns också ibland som få atomer från uranförfall som detekteras i HR 465-stjärnspektrumet av Andromeda., Stjärnan tillverkar uppenbarligen Pm på sin yta, med hänsyn till att ingen Pm-isotop med en halveringstid som är längre än 145Pm kan existera. Således är det elusiva ursprunget för Pm i yttre rymden ännu inte förklarat (Emsley, 2011).

författarens bidrag

VE var ansvarig för litteratursökning och analys och inledande utkast till förberedelse. MK var ansvarig för att formulera miniöversynsmålen och slutföra det ursprungliga utkastet. Båda författarna bidrog till artikeln och godkände den inlämnade versionen.,

intressekonflikt

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

författarna erkänner Diana Savchenko för skapandet av en lysande grafisk abstrakt. Inspirationen till titeln drogs från Alfred Tennysons Ulysses dikt (Tennyson, 1842).