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鐿:原子序數70,原子量173.04,元素名來源於它的發現地。1878年馬里尼亞克從鉺土中分離出鐿的氧化物,1907年於爾班和韋耳斯指出馬里尼亞克分離出的是氧化鑥和氧化鐿的混合物。鐿在地殼中的含量為0.000266%,主要存在於磷釔礦和黑稀金礦中,有7種天然同位素。

1 鐿 -概述

鐿

鐿為銀白色金屬,有延展性,質較軟;熔點819±5°C,沸點1194°C,密度6.972克/厘米³。室溫下鐿能被空氣和水緩慢氧化,氧化鐿無色;鐿可溶於酸生成無色鹽。鐿粒子是重要的發光材料敏化劑;鐿170可用於醫療診斷。
銀白色軟金屬,有光澤,易氧化,在空氣中緩慢地被腐蝕,溶於稀酸和液氨。能與水緩慢作用,二價鹽為綠色,可溶於水,並與水反應,緩慢地釋放出氫氣;三價鹽無色。氧化物呈白色。鐿在自然界中地同位素有:168Yb、170Yb~175Yb。

2 鐿 -性質

元素名稱:鐿
元素原子量:173.0
元素類型:金屬
體積彈性模量:Gpa:30.5
原子化焓:kJ /mol @25℃:180
熱容:J /(mol• K):6.74 
導電性:10^6/(cm •Ω  ):0.0351
導熱係數:W/(m•K):8.5
熔化熱:(千焦/摩爾) :.660

鐿醋酸鐿

汽化熱:(千焦/摩爾) :128.90
原子體積:(立方厘米/摩爾) :24.79
元素在宇宙中的含量:(ppm):0.002
元素在太陽中的含量:(ppm):.001
元素在海水中的含量:(ppm):大西洋表面  0.0000005
地殼中含量:(ppm):3.3
原子序數:70
元素符號:Yb

相對原子質量:173.0
核內質子數:70
核外電子數:70
核電核數:70
質子質量:1.1711E-25
質子相對質量:70.49
所屬周期:6
所屬族數:IIIB
摩爾質量:173
密度:6.98
熔點:824.0
沸點:1466.0
外圍電子排布:4f14 6s2
氧化態:Main  Yb+2, Yb+3

核外電子排布:2,8,18,32,8,2
晶體結構:晶胞為面心立方晶胞,每個晶胞含有4個金屬原子。

晶胞參數:
a = 548.47 pm
b = 548.47 pm
c = 548.47 pm
α = 90°
β = 90°
γ = 90°

維氏硬度:206MPa   
聲音在其中的傳播速率:(m/S) 1590

電離能 (kJ /mol) 
M - M+ 603.4
M+ - M2+ 1176
M2+ - M3+ 2415
M3+ - M4+ 4220

顏色和狀態:金屬
原子半徑:2.4
常見化合價+2,+3  

3 鐿 -發現及來源

發現人:馬里納克(J.C.G.Marignac)   
發現年代:1878年瑞士
發現過程:1878年,由馬里納克(J.C.G.Marignac)首先分離出鐿的化合物;1907年由烏爾班(G.Urbain)指出馬里納克分離出的鐿是由鑥和現在已知的鐿兩個元素組成的。
元素來源:在某些礦石中與釔及其他有關元素共存(如磷釔礦、硅鈹釔礦),二價鐿形成綠色鹽,三價鐿為無色鹽元素,在核反應中照射169Tm,生成170Tm,半衰期為129天,這個同位素克發射出很強的X射線。用它來製造常由氧化鐿Yb2O3用鈣還原而製得。也可用蒸餾法製備。
用途:用於冶金,用於製造特種合金。

4 鐿 -特性

金屬鐿為銀灰色,有延展性,質地較軟,室溫下鐿能被空氣和水緩慢氧化。與釤和銪相類似樣,鐿屬於變價稀土,除通常呈正三價外,也可以呈正二價狀態。由於這種變價特性,製備金屬鐿不宜用電解法,而採用還原蒸餾法進行製備和提純。通常以金屬鑭為還原劑,利用鐿金屬高蒸汽壓和鑭金屬低蒸氣壓的差別進行還原蒸餾。也可以採用銩鐿鑥富集物為原料,以金屬鑭為還原劑,在>1100℃和<0.133Pa的高溫真空條件下,通過還原-蒸餾的方法直接提取金屬鐿。象釤和銪一樣,鐿也可採用濕法還原進行分離和提純。通常採用銩鐿鑥富集物為原料,溶解后將鐿還原成二價狀態,造成顯著的性質差異后將其與其它三價稀土進行分離。製取高純氧化鐿通常採用萃取色層法或離子交換法。

5 鐿 -發展歷史

1842年莫桑德爾從釔土中分離出鉺土和鋱土后,不少化學家利用光譜分析鑒定,確定它們不是純凈的一種元素的氧化物,這就鼓勵了化學家們繼續去分離它們。1878年瑞士化學家馬里納克從餌土中分離出一個新元素的氧化物,把這個新元素成為ytterbium,符號為Yb,我們翻譯為鐿。這一名稱和釔、鉺、鋱的命名一樣,都是來自首先發現了釔礦的瑞典的乙特比(Ytterby)小鎮。隨著鐿以及其他一些稀土元素的發現,完成了發現稀土元素第三階段的另一半。

1878年,瑞士化學家查爾斯(Jean Charles)和馬利格納克(G.de Marignac)在「鉺」中發現了一種新的稀土元素,為了紀念釔礦石發現地——斯德哥爾摩附近那個名叫伊特比(Yteerby)的小村,把這個新元素命名為Ytterbium,元素符號為Yb,漢譯名稱為「鐿」—是該元素的專用漢字。
鐿在鑭系元素中雖然排在銩之後,但其地殼丰度達卻到3.3ppm,不但高於鋱鈥銩鑥等其它中重稀土,甚至高於銪(2.2 ppm)。鐿主要存在於離子型稀土礦、磷釔礦和黑稀金礦等中重稀土礦物中,有7種天然同位素。在江西尋烏中釔富銪離子型礦中,鐿在稀土中的配分高於銪,在龍南高釔離子型礦中,鐿的配分約是銪的10倍。

6 鐿 -主要用途

鐿作為重稀土元素,由於可利用的資源有限,產品價格昂貴,限制了其用途研究。隨著光纖通訊和激光等高新技術的出現,鐿才逐漸找到大顯身手的應用舞台。近年來,鐿在光纖通訊和激光技術兩大領域嶄露頭角並得到迅速發展。隨著「信息高速公路」的建設發展,計算機網路和長距離光纖傳輸系統對光通訊用的光纖材料性能要求越來越高。鐿離子由於擁有優異的光譜特性,可以象鉺和銩一樣,被用作光通訊的光纖放大材料。儘管稀土元素鉺至今仍是製備光纖放大器的主角,但傳統的摻鉺石英光纖增益帶寬較小(30nm),已難以滿足高速大容量信息傳輸的要求。而Yb3+離子在980nm附近具有遠大於Er3+離子的吸收截面,通過Yb3+的敏化作用和鉺鐿的能量傳遞,可使1530nm光得到大大加強,從而大大提高光的放大效率。
 
近年來,鉺鐿共摻的磷酸鹽玻璃受到越來越多研究者的青睞。磷酸鹽和氟磷酸鹽玻璃具有較好的化學穩定性和熱穩定性,並具有較寬的紅外透過性能和大的非均勻展寬特性,是寬頻高增益摻鉺放大光纖玻璃的理想材料。若在其中引入Yb3+離子,製成鉺鐿共摻光纖,就可大大改善光纖放大性能。中國研製的高濃度鉺鐿共摻磷酸鹽光纖(纖芯直徑7μm、數值孔徑為0.2)適用於全波放大器。利用980nm半導體激光器,在1.5μm的通信窗口對小信號實現了3.8dB的凈增益,單位長度增益達2.5dB/cm,比目前商用石英放大器高出兩個數量級。
 
摻Yb3+光纖放大器可以實現功率放大和小信號放大,因而可用於光纖感測器、自由空間激光通信和超短脈衝放大等領域。中國目前已建成世界上單通道容量最大、速率最快的光傳輸系統,擁有世界上最寬的信息高速公路。摻鐿和其它稀土的光纖放大及激光材料在其中均發揮了關鍵性巨大的作用。鐿的光譜特性還被用作優質激光材料,既被用作激光晶體,也被用作激光玻璃、和光纖激光器。
 
摻鐿激光晶體作為高功率激光材料已形成一個龐大的系列,包括有摻鐿釔鋁石榴石(Yb:YAG)、摻鐿釓鎵石榴石(Yb:GGG)、摻鐿氟磷酸鈣(Yb:FAP)、摻鐿氟磷酸鍶(Yb:S-FAP)、摻鐿釩酸釔(Yb:YV04)、摻鐿硼酸鹽和硅酸鹽等。半導體激光器(LD)是固體激光器的一種新型泵浦源。Yb:YAG具有許多特點適合高功率LD泵浦,已成為大功率LD泵浦用激光材料。Yb:S-FAP晶體將來有可能用作實現激光核聚變的激光材料,引起人們的關注。在可調諧激光晶體中,有摻鉻鐿鈥釔鋁鎵石榴石(Cr,Yb,Ho:YAGG),其波長在2.84~3.05μm之間連續可調。據統計,世界上用的導彈紅外尋彈頭大部分是採用3-5μm的中波紅外探測器,因此研製Cr,Yb,Ho:YSGG激光器,可對中紅外製導武器對抗提供有效干擾,具有重要的軍事意義。 

7 鐿 -科技應用

目前中國在摻鐿激光晶體(Yb:YAG、Yb:FAP、Yb:SFAP等)方面,已取得一系列具有國際先進水平的創新性成果,解決了晶體的生長以及激光快速、脈衝、連續、可調節輸出等多項關鍵技術,研究成果已在國防、工業和科學工程等方面獲得實際應用,摻鐿晶體產品已出口美國、日本等多個國家與地區。鐿激光材料的另一個大類是激光玻璃。已開發出鍺碲酸鹽、硅鈮酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽等多種高發射截面的激光玻璃。由於玻璃易成型可以製成大尺寸,並具有高光透和高均勻性等特點,可制

鐿氟化鐿
成大功率激光器。過去人們熟悉的稀土激光玻璃主要是釹玻璃,它已有40多年的發展歷史,製作和應用技術成熟,一直是大功率激光裝置的首選材料,已被用於核聚變實驗裝置和激光武器等方面。中國建成的由激光釹玻璃為主要激光介質的神光1號和神光2號大功率激光裝置,已達到世界先進水平。但激光釹玻璃如今卻遇到了激光鐿玻璃的有力挑戰。
 
近年來的大量研究表明,激光鐿玻璃的許多性能超過了釹玻璃。由於摻鐿發光只有兩個能級,儲能效率高,在相同增益時鐿玻璃儲能效率比釹玻璃高16倍,熒光壽命也是釹玻璃的3倍,同時還具有摻雜濃度高、吸收帶寬、可直接用半導體泵浦等優點,非常適用於大功率激光器使用。但鐿激光玻璃的實用還往往要藉助於釹的協助,如採用Nd3+作為敏化劑才能使鐿激光玻璃在室溫下運轉,並在1 06μm波長處實現激光發射。所以說,鐿和釹在激光玻璃方面既是競爭對手,同時又是相互協作的夥伴。

通過調節玻璃成分,可以提高鐿激光玻璃的諸多發光性能。以發展高功率激光器為主要方向,用鐿激光玻璃製造的激光器越來越廣泛地應用於現代工業、農業、醫學、科學研究和軍事方面。將核聚變產生的能量作為能源一直是人們期待的目標,實現受控核聚變將是人類解決能源問題的重要手段。摻鐿激光玻璃以其優異的激光性能正在成為21世紀實現慣性約束核聚變(ICF)升級換代首選材料。激光武器是利用激光束的巨大能量,對目標進行打擊破壞,可以產生上億度的高溫,以光的速度直接攻擊,可以指那打那,具有極大的殺傷力,尤其適用於現代戰爭的防空武器系統。摻鐿激光玻璃的優異性能已使它成為製造高功率和高性能激光武器的重要基礎材料。
 
光纖激光器是當今迅猛發展起來的一項新技術,也屬於激光玻璃應用範疇。光纖激光器就是用光纖作激光介質的激光器,是光纖與激光技術相結合的產物,是在摻餌光纖放大器(EDFA)技術基礎上發展起來的激光新技術。光纖激光器以半導體激光二極體作為泵源,以光纖作為波導和增益介質,同時採用光柵光纖、偶合器等光學元件組合而成。它無需光路機械調整,機構緊湊便於集成。與傳統固體激光器和半導體激光器相比,具有光束質量高、穩定性好、抗環境干擾性強、免調節、免維護、結構小巧等技術和性能優勢。由於摻雜的離子主要是Nd+3、Yb+3、Er+3、Tm+3、Ho+3,都是以稀土光纖作為增益介質,所以目前開發出來的光纖激光器也可稱作是稀土光纖激光器。
 
高功率摻鐿雙包層光纖激光是近年國際上固體激光技術中的一個熱點領域。它具有光束質量好、結構緊湊、轉換效率高等優點,在工業加工等領域中有廣泛的應用前景。雙包層摻鐿光纖適合於半導體激光器泵浦,具有耦合效率高和激光輸出功率高等特點,是摻鐿光纖的主要發展方向。目前中國的雙包層摻鐿光纖技術與國外先進水平已不相上下。中國研製的摻鐿光纖、雙包層摻鐿光纖以及鉺鐿共摻光纖在性能和可靠性方面均已達到國外同類產品先進水平,具有成本優勢,並擁有多項產品和方法的核心專利技術。

鐿鐿面燈

 
世界著名的德國IPG激光公司日前宣布,他們新近推出的摻鐿光纖激光器系統,具有非常優異的光束特性,有大於50,000小時的泵浦壽命,中心發射波長為1070nm-1080n,輸出功率可高達到20KW,已被應用於精細焊接、切割和岩石鑽探等方面。激光材料是發展激光技術的核心和基礎。在激光界歷來有「一代材料,一代器件」的說法。必須先擁有性能優異的激光材料,綜合其它相關技術,才能開發出先進實用的激光器件。摻鐿激光晶體和激光玻璃作為固體激光材料的生力軍正在推進光纖通訊和激光技術的創新發展,尤其是在高功率核聚變激光器、高能量拍瓦(PW,即1015W)激光器、高能量武器激光器等尖端激光技術方面將作出重要貢獻。
 
鐿還被用於熒光粉激活劑、無線電陶瓷、電子計算機記憶元件(磁泡)添加劑和光學玻璃添加劑等。需要指出的是,鐿(Ytterbium)和釔(Yttrium)同屬稀土元素,雖然英文名稱和元素符號差別明顯,但漢語拼音卻音節相同,在某些漢語譯文引用中有時誤把釔當作鐿,這時就需要我們追尋原文並結合元素符號來加以確認。

8 鐿 -參考資料

1、模擬化學實驗室
2、漢典

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