Прометий: новый взгляд на редкоземельные элементы

Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) обнаружили ранее неизвестные свойства прометия, редкоземельного элемента, который оставался малоизученным с момента его открытия 80 лет назад. Это важное исследование, опубликованное в журнале Nature, знаменует значительный прогресс в изучении редкоземельных элементов и может изменить учебники по химии.

История открытия прометия

Прометий, элемент с атомным номером 61, был открыт в середине XX века, и его история открытия представляет собой важную веху в области ядерной химии и физики. Открытие прометия стало возможным благодаря интенсивным исследованиям в области редкоземельных элементов, которые активно велись в первой половине XX века. Элемент был назван в честь Прометея, мифологического героя, который принес огонь людям, что символизировало свет знаний и открытий.

Первооткрывателями прометия считаются американские химики Джейкоб Марински, Лоуренс Гленденин и Чарльз Кориелл, которые в 1945 году смогли выделить его из продуктов деления урана в реакторе на Ок-Риджской национальной лаборатории. Хотя до этого момента существовали теоретические предположения о существовании элемента с номером 61, именно их работа дала первые убедительные доказательства его существования. Открытие прометия было официально подтверждено и опубликовано в 1947 году.

Однако стоит отметить, что работа Марински и его коллег была не первой попыткой открыть этот элемент. Еще в 1920-х годах итальянский химик Луиджи Роландо и несколько других ученых утверждали, что нашли элемент 61, но их результаты не были признаны научным сообществом из-за отсутствия надежных доказательств. Таким образом, только в 1940-х годах, с развитием технологий и методов ядерной химии, стало возможным окончательно доказать существование прометия и включить его в Периодическую таблицу элементов.

Исследование свойств прометия

Исследовательская группа из ORNL приготовила химический комплекс прометия, что позволило впервые охарактеризовать его в растворе. Через серию тщательных экспериментов учёные раскрыли секреты этого крайне редкого лантаноида, чей атомный номер 61.

Илья Попов, со-руководитель исследования из ORNL, подчеркнул сложности изучения прометия: «Поскольку у него нет стабильных изотопов, прометий был последним открытым лантаноидом и самым трудным для изучения».

Лантаноиды (элементы с 57 по 71 номер в периодической таблице) являются важными компонентами многих современных технологий, от лазеров до лекарств против рака. Однако недостаток знаний о прометии был значительным пробелом в науке.

Санта Янсоне-Попова, со-руководитель исследования из ORNL, подчеркнула важность этого исследования: «Существуют тысячи публикаций по химии лантаноидов без упоминания прометия. Это был явный пробел для всей науки. Учёным приходилось предполагать большинство его свойств. Теперь мы можем их измерить».

Совместные усилия национальных лабораторий

Успех исследования стал возможен благодаря уникальным ресурсам и опыту национальных лабораторий Министерства энергетики США. Команда использовала исследовательский реактор, горячие камеры, суперкомпьютеры и знания 18 учёных из различных областей.

Для изучения свойств прометия учёные ORNL связали радиоактивный прометий-147 со специальными органическими молекулами, называемыми дигликоламидными лигандами. Используя рентгеновскую спектроскопию, они впервые определили длину химической связи прометия с соседними атомами.

Прометий чрезвычайно редок; в земной коре его содержится лишь около полу килограмма в любой момент времени. В отличие от других редкоземельных элементов, только небольшие количества синтетического прометия доступны из-за отсутствия стабильных изотопов. ORNL является единственным производителем прометия-147 в США.

Понимание лантаноидного сжатия

Одним из самых значительных результатов исследования стало первое доказательство лантаноидного сжатия в растворе для всего ряда лантаноидов, включая прометий. Лантаноидное сжатие — это явление, при котором ионные радиусы элементов с 57 по 71 номер уменьшаются с увеличением атомного номера.

«Это поразительно с научной точки зрения. Когда у нас были все данные, меня поразило, что сжатие химической связи ускоряется вдоль этого ряда атомов, но после прометия значительно замедляется», — отметил Алекс Иванов, ученый из ORNL, который руководил исследованием. Это важный этап в понимании химических связей этих элементов и их структурных изменений вдоль периодической таблицы.

Влияние на современные технологии

Открытие свойств прометия имеет далеко идущие последствия для современных технологий. Многие редкоземельные элементы, включая лантаноиды и актиноиды, применяются в диагностике и лечении рака, возобновляемой энергетике и ядерных батареях для космических исследований.

Янсоне-Попова подчеркнула важность этого достижения в разделении ценных элементов: «Невозможно использовать все эти лантаноиды как смесь в современных технологиях, сначала их нужно разделить. Именно здесь сжатие становится очень важным; оно позволяет нам разделять их, что до сих пор является сложной задачей».

Новая эра редкоземельных исследований

Прорывное исследование, проведенное командой ученых, раскрыло тайны прометия - одного из самых загадочных и малоизученных редкоземельных элементов. Это открытие ознаменовало начало новой эры в изучении редкоземельных элементов, внеся значительный вклад в фундаментальную науку. Однако влияние данной работы выходит далеко за рамки академических кругов, поскольку редкоземельные элементы, включая прометий, играют незаменимую роль в современных передовых технологиях, охватывая широкий спектр областей - от медицинского оборудования и возобновляемых источников энергии до космических разработок и телекоммуникационных систем. Это открытие может стать катализатором для дальнейших инноваций и технологического прогресса.

Полное исследование опубликовано в журнале Nature.