Введение
Прометий — химический элемент с символом Pm и атомным номером 61. Все его изотопы радиоактивны; он крайне редок, и в земной коре в любой момент времени содержится всего около 500–600 граммов в естественном виде. Прометий — один из двух радиоактивных элементов, за которыми в периодической таблице следуют элементы со стабильными формами, другим является технеций. Химически прометий относится к лантаноидам. Прометий проявляет только одну стабильную степень окисления +3. В 1902 году Бохуслав Браунер предположил существование тогда неизвестного элемента со свойствами, промежуточными между свойствами известных элементов неодима (60) и самария (62); это было подтверждено в 1914 году Генри Мозли, который, измерив атомные номера всех известных на тот момент элементов, обнаружил отсутствие элемента с атомным номером 61. В 1926 году две группы (итальянская и американская) заявили об изоляции образца элемента 61; оба «открытия» вскоре были признаны ошибочными. В 1938 году в ходе ядерного эксперимента, проведенного в Университете штата Огайо, было получено несколько радиоактивных нуклидов, которые, безусловно, не были радиоизотопами неодима или самария, однако не было получено химических доказательств получения элемента 61, и открытие не было признано научным сообществом. Прометий был впервые получен и охарактеризован в Национальной лаборатории Оук-Ридж в 1945 году путем разделения и анализа продуктов деления уранного топлива, облученного в графитовом реакторе. Его первооткрыватели предложили название «прометий» (впоследствии написание было изменено), происходящее от имени Прометея, титана из греческой мифологии, который украл огонь с горы Олимп и передал его людям, чтобы символизировать «как дерзость, так и возможное злоупотребление человеческим разумом». Однако образец металла был получен только в 1963 году. Два источника природного прометия — редкие альфа-распад природного европия-151 (с образованием прометия-147) и спонтанное деление урана (различные изотопы). Прометий-145 является наиболее стабильным изотопом прометия, но единственным изотопом, имеющим практическое применение, является прометий-147, химические соединения которого используются в люминесцентных красках, атомных батареях и приборах для измерения толщины. Поскольку природный прометий встречается крайне редко, его обычно синтезируют путем бомбардировки урана-235 (обогащенного урана) тепловыми нейтронами с образованием прометия-147 в качестве продукта деления.
Изотопы
Прометий — единственный лантаноид и один из двух элементов среди первых 82, у которого нет стабильных или долгоживущих (первичных) изотопов. Это результат редко встречающегося эффекта, предсказываемого моделью жидкой капли, и стабильности изотопов соседних элементов; он также является наименее стабильным элементом среди первых 84. Основными продуктами распада являются изотопы неодима и самария (прометий-146 распадается на оба, более лёгкие изотопы обычно распадаются на неодим посредством позитронного распада и захвата электронов, а более тяжёлые — на самарий посредством бета-распада). Ядерные изомеры прометия могут распадаться на другие изотопы прометия, и один изотоп (145Pm) имеет очень редкий режим альфа-распада до стабильного празеодима-141. Наиболее стабильным изотопом элемента является прометий-145, обладающий удельной активностью и периодом полураспада 17,7 года посредством захвата электронов. Элемент также имеет 18 ядерных изомеров с массовыми числами от 133 до 142, 144, 148, 149, 152 и 154 (некоторые массовые числа имеют более одного изомера). Наиболее стабильным из них является прометий-148m, с периодом полураспада 43,1 дня; это больше, чем периоды полураспада основных состояний всех изотопов прометия, за исключением прометия-143–147. Фактически, прометий-148m имеет более длительный период полураспада, чем его основное состояние, прометий-148.
Возникновение
В 1934 году Уиллард Либби сообщил об обнаружении слабой бета-активности в чистом неодиме, которую связали с периодом полураспада более 10¹² лет. Почти через 20 лет было заявлено, что данный элемент присутствует в природном неодиме в равновесии в количествах менее 10⁻²⁰ граммов прометия на грамм неодима. Однако эти наблюдения были опровергнуты более поздними исследованиями, поскольку для всех семи природных изотопов неодима любые одиночные бета-распад (которые могут привести к образованию изотопов прометия) запрещены законом сохранения энергии. В частности, точные измерения атомных масс показали, что разность масс между ¹⁵⁰Nd и ¹⁵⁰Pm отрицательна (−87 кэВ), что полностью исключает бета-распад ¹⁵⁰Nd в ¹⁵⁰Pm. В 1965 году Олави Эрамется выделил следы ¹⁴⁷Pm из концентрата редкоземельных элементов, очищенного от апатита, что позволило установить верхний предел содержания прометия в природе на уровне 10⁻²¹. Это могло быть результатом естественного ядерного деления урана или отщепления ядер космическими лучами от ¹⁴⁶Nd. Оба изотопа природного европия имеют избыток массы больше, чем сумма избытков масс их потенциальных альфа-дочерей и альфа-частицы; следовательно, они (стабильны на практике) могут подвергаться альфа-распаду с образованием прометия. Таким образом, уран "отвечает" за 560 г прометия в земной коре. Прометий также был идентифицирован в спектре звезды HR 465 в созвездии Андромеды, а также обнаружен в HD 101065 (звезда Прибыльского) и HD 965. Из-за короткого периода полураспада изотопов прометия, они должны образовываться вблизи поверхности этих звезд.
Поиск элемента 61
В 1902 году чешский химик Бохуслав Браунер обнаружил, что различия в свойствах между неодимом и самарием были наибольшими среди любых двух последовательных лантаноидов в известной на тот момент последовательности; в результате он предположил существование элемента с промежуточными свойствами между ними. Это предсказание было подтверждено в 1914 году Генри Мозли, который, обнаружив, что атомный номер является экспериментально измеримым свойством элементов, установил, что нескольким атомным номерам не соответствуют известные элементы: это были пробелы 43, 61, 72, 75, 85 и 87. Получив эти сведения, несколько групп приступили к поиску предсказанного элемента среди других редкоземельных элементов в природной среде. Первое сообщение об открытии было опубликовано Луиджи Роллой и Лоренцо Фернандесом из Флоренции, Италия. После разделения смеси нескольких редкоземельных элементов, нитратного концентрата, полученного из бразильского минерала монацита, методом фракционной кристаллизации, они получили раствор, содержащий преимущественно самарий. Этот раствор дал рентгеновские спектры, отнесённые к самарию и элементу 61. В честь своего города они назвали элемент 61 "флоренцием". Результаты были опубликованы в 1926 году, однако ученые утверждали, что эксперименты были проведены в 1924 году. Также в 1926 году группа ученых из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Смит Хопкинс и Лен Йнтема, опубликовала сообщение об открытии элемента 61. Они назвали его "иллинием" в честь университета. Оба этих заявленных открытия оказались ошибочными, поскольку спектральная линия, которая "соответствовала" элементу 61, была идентична линии дидимия; линии, считавшиеся принадлежащими элементу 61, на самом деле принадлежали нескольким примесям (барию, хрому и платине). В 1934 году Йозеф Маттаух окончательно сформулировал правило изобар. Одним из косвенных следствий этого правила стало то, что элемент 61 не способен образовывать стабильные изотопы. Начиная с 1938 года, ядерный эксперимент проводился Х. Б. Лоу и др. в Университете штата Огайо. В 1941 году были получены нуклиды, которые не являлись радиоизотопами неодима или самария, и было предложено название "циклоний", однако не было получено химических доказательств получения элемента 61, и открытие не получило широкого признания.
Производство
Методы получения различных изотопов различаются, и приводятся только методы получения прометия-147, поскольку это единственный изотоп, имеющий промышленное применение. Прометий-147 производится в больших количествах (по сравнению с другими изотопами) путем облучения урана-235 тепловыми нейтронами. Выход относительно высок и составляет 2,6% от общего продукта. Другой способ получения прометия-147 – это распад неодима-147, который превращается в прометий-147 с коротким периодом полураспада. Неодим-147 можно получить либо облучением обогащенного неодима-146 тепловыми нейтронами, либо облучением урана-238 быстрыми нейтронами, вызывающим быстрое деление, в результате которого, среди множества продуктов реакции, образуется прометий-147. Уже в 1960-х годах Национальная лаборатория Ок-Ридж могла производить 650 граммов прометия в год и являлась единственным в мире предприятием по крупномасштабному синтезу. Производство прометия в граммовых масштабах было прекращено в США в начале 1980-х годов, но, возможно, будет возобновлено после 2010 года на реакторе с высоким потоком изотопов. В 2010 году Россия была единственной страной, производящей прометий-147 в относительно больших масштабах.
Приложения
Большая часть прометия используется исключительно в исследовательских целях, за исключением прометия-147, который встречается за пределами лабораторий. Он получается в виде оксида или хлорида, в миллиграммовых количествах. Этот изотоп не испускает гамма-лучей, его излучение имеет относительно небольшую глубину проникновения в вещество и относительно длительный период полураспада. Некоторые сигнальные лампы используют люминесцентную краску, содержащую люминофор, который поглощает бета-излучение, испускаемое прометием-147, и излучает свет. Прометий может быть предпочтительнее трития с точки зрения ядерной безопасности. В атомных батареях бета-частицы, испускаемые прометием-147, преобразуются в электрический ток путем размещения небольшого источника прометия между двумя полупроводниковыми пластинами. Срок службы таких батарей составляет около пяти лет. Прометий также используется для измерения толщины материалов путем оценки количества излучения от источника прометия, прошедшего через образец. В перспективе он может найти применение в портативных рентгеновских установках, а также в качестве вспомогательных источников тепла или энергии для космических зондов и спутников (хотя альфа-излучатель плутоний-238 стал стандартом для большинства применений в области исследования космоса). Прометий-147 также используется, хотя и в очень малых количествах (менее 330 нКи), в некоторых выключателях подсветки компактных люминесцентных ламп (CFL) Philips серии PLC 22W/28W 15mm.
Меры предосторожности
Этот элемент не выполняет никакой биологической роли. Прометий-147 может испускать гамма-лучи при бета-распаде, которые опасны для всех живых организмов. Взаимодействие с незначительными количествами прометия-147 не опасно, если соблюдаются определенные меры предосторожности. Как правило, следует использовать перчатки, бахилы, защитные очки и верхний слой защитной одежды, которую можно легко удалить.