Radioaktivitet og sjældne jordarter – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Radioaktivitet og sjæl...

16. december 2012

Radioaktivitet og sjældne jordarter

Hej Spørg om Fysik
Hvordan dannes de sjældne jordarter egentlig? Jeg er ved at skrive SRP om emnet, men kan ikke finde svaret på nettet. Jeg har læst mig frem til, at de alle er radioaktive, og derved slår det mig - hvordan kan man bruge radioaktive materialer i alt fra iPads, computere og mobiltelefoner til elbiler?

Med venlig hilsen

M K

Cerium

Praseodym

 

De sjældne jordarter en række stoffer i det periodiske system, hvor elektronfordelingen omkring atomet er anderledes end for de fleste andre stoffer. Elektronerne befinder sig i noget man kalder elektronskaller (eller orbitaler) omkring atomkernen. Der er lige så mange elektroner udenom et neutralt atom, som der er protoner i kernen. Når der kommer en elektron mere i kernen, skal der altså være plads til en elektron mere. Hvis man tager luftarten Hydrogen (Brint) er der en proton i kernen og en enlig elektron, der bevæger sig udenom i den inderste elektronskal. Næste stof i det periodiske system er den ædle luftarten Helium, her er der to protoner samt de to tilsvarende elektroner, som færdes i et fælles område i den inderste skal.

neodym

Samarium

Tredje stof er metallet Litium. Der er af kvantemekaniske grunde kun plads til 2 elektroner i den inderste elektronskal, så man begynder at fylde på den næste, hvor der kan være 8 elektroner. Den er fuld ved grundstof nr. 10 ædelgassen Neon. Når man har en fuld elektronskal, vil der optræde en ædelgas, fordi stoffet så ikke kan låne elektroner far andre stoffer eller afgive elektroner, så det kan ikke foretage kemiske reaktioner uden videre. I det store og hele fyldes elektronerne på i yderste skal hele

Europium

Gadolinium

tiden, fordi det er fordelagtigt, enkelte steder dog i næst yderste skal, eller der kan efterlades ikke fyldte indre skaller, stadig fordi det er energimæssigt fordelagtigt. Når man kommer til stof nr.58 Cerium, er det imidlertid fordelagtigt, at begynde at opfylde den endnu ikke fyldte tredje inderste skal. Der kommer så 14 stoffer, som ligner hinanden til forveksling kemisk (men ikke fysisk), fordi de kemiske egenskaber stort set bestemmes af de yderste elektroner, som er de der kan udveksles med andre stoffer. De sjældne jordarter ligner kemiske alle Cerium. Det er stofferne Cerium (Ce),

Holmium

Erbium

Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (TM), Ytterbium (Yb) og Lutetium (Lu), bogstaverne bagefter er de kemiske forkortede betegnelser. Det første stof Cerium blev opdaget samtidigt af Svenskeren Jöns Jakob Berzelius og Tyskeren Wilhelm Hisinger i 1803. Det findes f.eks. i styrandsand, som alle de andre sjældne jordarter, f.eks. Florida, Indien, Barsilien, Californien, i Nordsverige

Thulium

Ytterbium

og Kina. En række af de øvrige sjældne jordarter blev fundet i årene omkring 1885 af Østrigeren Carl Auer von Walbach og franskmændene Jean de Marignac og Paul-Emil Lecoq de Boisbaudran og flere andre. I dag udvindes de stort set i Kina. Det er kemiske meget vanskeligt at adskille dem til rene enkeltstoffer, fordi de reagerer så kemisk ens, det kan relativt let gøres i små mængder ved fysiske metoder. Der kommer en tilsvarende serie længere oppe i det periodiske system bestående af  stofferne Thorium, Protactinium, Uran, Neptunium, Plutonium Americium osv op til nr. 103 Lawrencium.

Lutetium

I det store og hele er de sjældne jordarter ikke radioaktive, enkelte har, som det er tilfældet for mange stoffer i naturen, få procent af isotoper, der er radioaktive. Dette gælder ikke Promethium, hvor alle isotoper er radioaktive, den længstlevende med halveringstid omkring 30 år, så den findes ikke i jordskorpen, men fremstilles i atomreaktorer eller på acceleratorer.

Det vil være for indviklet her at opstille en udtømmende forklaring på dannelsen men alle stoffer op til Jern (nr. 26 i det periodiske system) kan af energimæssige grunde dannes i sole som vores og bliver dannet i varierende mængder. Stoffer længere oppe i det periodiske system dannes kun et sted, i supernovaer under eksplosionen hvor de så spredes i universet. Vores jjældne jordarter stammer altså fra en supernova der eksploderede før solsystemet blev dannet, det gælder også vort Guld, Sølv Uran osv, alle de tunge stoffer.

De sjældne jordarter bruges mange steder i dag såvel i elektronik, gløde- og gaslamper (Pr, Eu), infrarøde censorer (Pm, Sm), selvrensende bageovne (Ce), farvefjerensyns rørs billedflade (Eu,Dy), lasere (Tb, Tm), harddiske (Dy, Te), atomreaktorer (Gd), strålingsmonitorer (Gd, Tb, Dy) til metallegeringer (Pr, Er, Yb) for at give dem specielle egenskaber, som især i meget kraftige permanente magneter (Nd, Sm). Dette er naturligvis ikke nogen fuldstændig oversigt over brugssteder. Stofferne bruges altså bl.a. i legeringer til de ting du nævner, men da de ikke er radioaktive giver, det ikke anledning til problemer. De fleste af dem er ikke særligt hårde sølvhvide enkelte grålige metaller De danner mere eller mindre let oxider med luften i ren tilstand. Smeltepunkterne varierer op og ned, men det laveste er Ce 798 ˚C, det højeste Lu 1663 ˚C, kogepunkterne er ligeledes varierende Sm 1794 ˚C, Ce 3424 ˚C. Se også http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/lanthaniderne/

Allan R. Mackintosh

Jens Jensen

To Danske fysikere fra NBI: Allan R. Mackintosh og Jens Jensen har udført en væsentlig forskningsindsat på området, som har hjulpet til at afdække de sjældne jordarters magnetiske egenskaber, og samlet den kendte viden i en bog.

 

Med venlig hilsen
Malte Olsen