Кіріспе

Прометий – химиялық элемент, символы Pm, атомдық нөмірі 61. Оның барлық изотоптары радиоактивті; ол өте сирек кездеседі, кез келген уақытта Жер қыртысында табиғи түрде шамамен 500–600 грамм ғана болады. Прометий – периодтық кестеде тұрақты формалары бар элементтерден кейін орналасқан радиоактивті элементтердің бірі, екіншісі – техноций. Химиялық тұрғыдан прометий – лантаноид. Прометийдің тек бір тұрақты +3 тотығу күйі бар. 1902 жылы Бохуслав Браунер неодим (60) және самарий (62) элементтерінің аралық қасиеттеріне ие, сол кезде белгісіз элемент болуы мүмкін екенін болжады; бұл 1914 жылы Генри Мозлимен расталды, ол сол кездегі барлық элементтердің атомдық нөмірлерін өлшегеннен кейін 61-ші атомдық нөмірдің жоқ екенін анықтады. 1926 жылы екі топ (бір итальяндық және бір американдық) 61-ші элементтің үлгісін оқшаулағанын мәлімдеді; алайда екі "жаңалықтың" да тез арада жалған екені дәлелденді. 1938 жылы Огайо штатының университетінде жүргізілген ядролық эксперимент барысында неодим немесе самарийдің радиоизотоптары емес, бірнеше радиоактивті нуклидтер алынды, бірақ 61-ші элементтің өндірілгеніне химиялық дәлел жеткіліксіз болды және бұл жаңалық кеңінен мойындалмады. Прометий алғаш рет 1945 жылы Оук-Ридж ұлттық зертханасында графит реакторында сәулеленген уран отынының бөліну өнімдерін бөліп, талдау арқылы өндірілді және сипатталды. Оны ашқандар "прометий" атауын ұсынды (кейін жазылуы өзгертілді), бұл атау грек мифологиясындағы Прометейден алынған, ол Олимп тауынан от ұрлап, оны адамдарға жеткізген, бұл "адамзаттың зиялы күшінің батылдығын және оны қате пайдалану мүмкіндігін" бейнелеу үшін жасалды. Алайда, металлдың үлгісі тек 1963 жылы ғана жасалды. Табиғи прометийдің екі көзі – табиғи европий-151-дің (прометий-147-ні өндіретін) сирек кездесетін альфа-ыдырауы және уранның спонтанды ыдырауы (әртүрлі изотоптар). Прометий-145 – прометийдің ең тұрақты изотопы, бірақ практикалық қолданысы бар жалғыз изотопы – прометий-147, оның химиялық қосылыстары люминесцентті бояуларда, атомдық батареяларда және қалыңдық өлшеу құрылғыларында қолданылады. Табиғи прометийдің мөлшері өте аз болғандықтан, ол әдетте уран-235 (байытылған уран) термиялық нейтрондармен бомбалау арқылы синтезделеді, нәтижесінде прометий-147 бөліну өнімі ретінде алынады.

Изотоптар

Прометий – тұрақты немесе ұзақ өмір сүретін (алғашқы) изотоптары жоқ алғашқы 82 элементтің ішіндегі жалғыз лантаноид және осы сипатқа ие екі элементтен бірі. Бұл сұйық тамшы моделінің сирек кездесетін әсерімен және көрші элементтердің изотоптарының тұрақтылығымен байланысты; сонымен қатар, ол алғашқы 84 элементтің ең нашар тұрақты элементі болып табылады. Негізгі ыдырау өнімдері – неодим және самарий изотоптары (прометий-146 екеуіне де ыдырайды, жеңіл изотоптар көбінесе позитронмен ыдырау және электронды тұтқындау арқылы неодимге, ал ауыр изотоптар бета-ыдырау арқылы самарийге айналады). Прометийдің ядролық изомерлері басқа прометий изотоптарына ыдырай алады, ал бір изотоптың (145Pm) альфа-ыдырау режимі тұрақты прозеодимий-141-ге өте сирек кездеседі. Элементтің ең тұрақты изотопы – прометий-145, ол электронды тұтқындау арқылы 17,7 жылдық жартылай ыдырау мерзіміне және белгілі бір активтілікке ие. Элементтің сонымен қатар 18 ядролық изомері бар, олардың массалық сандары 133-тен 142-ге, 144, 148, 149, 152 және 154-ке тең (кейбір массалық сандар бірнеше изомерге ие). Олардың ең тұрақтысы – прометий-148m, оның жартылай ыдырау мерзімі 43,1 күн; бұл прометий-143 пен прометий-147 изотоптарын қоспағанда, прометийдің барлық негізгі күйлерінің жартылай ыдырау мерзімінен ұзақ. Шындығында, прометий-148m-нің жартылай ыдырау мерзімі оның негізгі күйіндегі прометий-148-ден ұзақ.

Пайда болуы

1934 жылы Уиллард Либби таза неодимде әлсіз бета-активтілікті тапқанын хабарлады, бұл 1012 жылға жуық жартылай ыдырау мерзімімен байланысты болды. Шамамен 20 жылдан кейін, бұл элемент табиғи неодимде тепе-теңдікте, бір грамм неодимге 10−20 граммнан кем прометий мөлшерінде кездеседі деп мәлімделді. Алайда, бұл байқаулар кейінгі зерттеулермен жоққа шығарылды, себебі барлық жеті табиғи неодим изотопы үшін, кез келген бір бета-ыдырау (прометий изотоптарын тудыратын) энергия сақталу заңына қайшы келеді. Атап айтқанда, атомдық массаның мұқият өлшеулері 150Nd мен 150Pm арасындағы масса айырмашылығының теріс (−87 кэВ) екенін көрсетті, бұл 150Nd-дан 150Pm-ға бета-ыдыраудың болуын толығымен болдырмайды. 1965 жылы Олави Эраметса апатиттен тазартылған сирек элементтер концентратынан 147Pm іздерін бөліп алды, нәтижесінде прометийдің табиғаттағы мөлшерінің жоғарғы шегі 10−21 құрады; бұл уранның спонтанды ядролық бөлінуінен немесе 146Nd-ның ғарыштық сәулелермен шашырауынан пайда болған болуы мүмкін. Табиғи европийдің екі изотопы да олардың ыдырау өнімдерінің (альфа-бөлшектерінің) массаларының қосындысынан артық массаға ие; сондықтан олар (практикалық тұрғыдан тұрақты) прометийге альфа-ыдырауы мүмкін. Осылайша, уран Жер қыртысындағы 560 г прометийге «жауапты». Прометий Андромеда галактикасындағы HR 465 жұлдызының спектрінде де анықталды; сондай-ақ ол HD 101065 (Прзыбыльский жұлдызы) және HD 965 жұлдыздарында да табылды. Прометий изотоптарының жартылай ыдырау мерзімі қысқа болғандықтан, олар осы жұлдыздардың бетіне жақын жерде пайда болуы керек.

61 элементті іздеу

1902 жылы чех химигі Бохуслав Браунер неодим мен самарийдің қасиеттеріндегі айырмашылық сол кездегі белгілі лантаноидтар тізбегіндегі кез келген екі тікелей жапсарған элемент арасындағы ең үлкені екенін анықтады; соның нәтижесінде, ол олардың арасында аралық қасиеттері бар элемент болуы мүмкін екенін болжады. Бұл болжамды 1914 жылы Генри Мозли растады, ол атомдық санның элементтердің эксперименттік өлшенетін қасиеті екенін ашқаннан кейін, бірнеше атомдық санға сәйкес келетін элементтердің табылмайтынын анықтады: олқылықтар 43, 61, 72, 75, 85 және 87 болды. Периодтық жүйедегі олқылықты білгеннен кейін, бірнеше топ табиғи ортадағы басқа сирек кездесетін элементтердің арасында болжамды элементті іздеуді бастады. Ашқандығы туралы алғашқы хабарды Флоренциядан Луиджи Ролла мен Лоренцо Фернандес жариялады. Олар бразилиялық монацит минералынан бірнеше сирек кездесетін элементтердің нитратының концентратын фракцияланған кристалдану арқылы бөліп алғаннан кейін, негізінен самарийден тұратын ерітінді алды. Бұл ерітінді самарийге және 61-ші элементке жатқызылатын рентген сәулелері спектрін көрсетті. Олар өз қалаларының құрметіне 61-ші элементті «флоренций» деп атады. Нәтижелер 1926 жылы жарияланды, бірақ ғалымдар эксперименттер 1924 жылы жүргізілгенін мәлімдеді. Сонымен қатар 1926 жылы Иллинойс университетінің (Урбана-Шампейн) ғалымдары Смит Хопкинс пен Лен Йнтема 61-ші элементті ашқандарын жариялады. Олар оны университет атауымен «иллиний» деп атады. Алайда, екі жарияланған ашылудың да қате екені дәлелденді, себебі 61-ші элементке «сәйкес» келген спектрлік сызық дидимийдікімен бірдей болды; 61-ші элементке жатады деп есептелген сызықтар бірнеше қоспаларға (барий, хром және платина) тиесілі екені анықталды. 1934 жылы Йозеф Маттаух, соңғы рет изобарлық қағиданы тұжырымдады. Бұл қағиданың тікелей салдарының бірі – 61-ші элементтің тұрақты изотоптар құрамайтыны болды. 1938 жылдан бастап Огайо штатының университетінде Х.Б. Лоу және басқалар ядролық эксперимент жүргізді. 1941 жылы неодим немесе самарийдің радиоизотоптары емес нуклидтер алынды және «циклоний» атауы ұсынылды, бірақ 61-ші элементтің алынғанын химиялық тұрғыдан дәлелдеу жеткіліксіз болды және бұл жаңалық кеңінен танылмады.

Өндіріс

Әр түрлі изотоптарды өндіру әдістері әртүрлі, бірақ тек прометий-147-нің өндірілу жолдары келтірілген, себебі ол өнеркәсіптік қолданысқа ие жалғыз изотоп. Прометий-147 уран-235-ті термиялық нейтрондармен бомбалау арқылы (басқа изотоптармен салыстырғанда) көп мөлшерде өндіріледі. Өнімнің мөлшері жалпы өнімнің 2,6%-ын құрайды, яғни салыстырмалы түрде жоғары. Прометий-147-ні өндірудің тағы бір жолы – неодим-147 арқылы, ол қысқа жартылай ыдырау кезеңінде прометий-147-ге айналады. Неодим-147-ні байытылған неодим-146-ны термиялық нейтрондармен бомбалау арқылы алуға болады. Сонымен қатар, уран-238-ді жылдам нейтрондармен бомбалау арқылы жылдам бөлінуді тудыруға болады, нәтижесінде көптеген реакция өнімдерінің ішінде прометий-147 де пайда болады. 1960 жылдары Оук Ридж Ұлттық зертханасы жылына 650 грамм прометий өндіре алатын және әлемдегі жалғыз ірі синтез орны болды. АҚШ-та прометийдің грамдық өлшемдегі өндірісі 1980 жылдардың басында тоқтатылды, бірақ 2010 жылдан кейін Жоғары Ағынды Изотоптық Реакторда қайта жаңғырту мүмкіндігі қарастырылуда. 2010 жылы Ресей прометий-147-ні салыстырмалы түрде көп көлемде өндіретін жалғыз ел болды.

Қолданбалар

Прометийдің көп бөлігі зерттеу мақсаттары үшін ғана қолданылады, бірақ прометий-147 лабораториялардың сыртында да кездеседі. Ол оксид немесе хлорид түрінде, миллиграмм мөлшерінде алынады. Бұл изотоп гамма сәулелерін шығармайды, оның сәулеленуінің заттарға ену тереңдігі салыстырмалы түрде шағын, ал жартылай ыдырау периоды салыстырмалы түрде ұзақ. Кейбір сигналдық шамдарда прометий-147 шығаратын бета сәулесін сіңіріп, жарық шығаратын люминофордан тұратын жарық бояуы қолданылады. Ядролық қауіпсіздік тұрғысынан прометий тритийден артықшылықты болуы мүмкін. Атомдық батареяларда прометий-147 шығаратын бета бөлшектері екі жартылай өткізгіш пластина арасына орналастырылған прометий көзі арқылы электр тогына айналдырылады. Мұндай батареялардың қызмет ету мерзімі шамамен бес жылды құрайды. Прометий материалдардың қалыңдығын өлшеу үшін де қолданылады, бұл үшін прометий көзінен шығатын сәулелену мөлшері үлгі арқылы өтетіндей етіп бағаланады. Болашақта портативті рентген көздері ретінде, сондай-ақ ғарыш зондтары мен спутниктері үшін қосымша жылу немесе қуат көздері ретінде қолданылуы мүмкін (дегенмен, альфа-эмиттер плутоний-238 көптеген ғарыш зерттеулеріне байланысты қолданысқа стандарт ретінде енген). Прометий-147, өте аз мөлшерде (330 нСи-ден кем) болса да, кейбір Philips CFL (жинақы люминесценттік шамдар) шамдарының 22В/28В 15 мм CFL диапазонындағы жарық диодтық коммутаторларында қолданылады.

Сақтық шаралары

Бұл элементтің биологиялық қызметі жоқ. Прометий-147 бета-ыдырау кезінде гамма-сәулелерін шығарады, ол барлық тірі организмдерге қауіпті. Прометий-147-нің шағын мөлшердегі әсері, егер тиісті сақтық шаралары сақталса, зиянды емес. Жалпы, қолғаптар, аяқ киімге арналған қаптамалар, қорғау көзілдірігі және үстінен тез шешілетін қорғаныш киім кию керек.