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プロメチウムは化学元素であり、記号はPm、原子番号は61です。その同位体はすべて放射性であり、非常に希少で、地殻中に自然に存在する量は常時約500～600グラム程度です。プロメチウムは、周期表において安定同位体を持つ元素に前後両方で位置する2つの放射性元素のうちの1つであり、もう1つはテクネチウムです。化学的には、プロメチウムはランタノイドです。プロメチウムは+3の安定な酸化状態のみを示します。
1902年、ボフスラフ・ブラウナーは、当時知られていたネオジム（60）とサマリウム（62）の中間の性質を持つ未知の元素が存在すると提唱した。これは1914年にヘンリー・モーズリーによって確認された。モーズリーは当時知られていたすべての元素の原子番号を測定したところ、原子番号61の元素が見つからなかった。1926年、2つのグループ（イタリアとアメリカのグループ）が元素61のサンプルを単離したと主張したが、どちらの「発見」もすぐに誤りであることが証明された。1938年、オハイオ州立大学で行われた核実験中に、ネオジムやサマリウムの放射性同位体ではない放射性核種がいくつか生成されたが、元素61が生成されたという化学的な証拠がなかったため、この発見はあまり認められなかった。プロメチウムは、 1945年にオークリッジ国立研究所で、黒鉛炉で照射されたウラン燃料の核分裂生成物を分離・分析することによって初めて生成され、その特性が明らかにされた。発見者たちは、ギリシャ神話でオリンポス山から火を盗み、人間にもたらした巨人プロメテウスにちなんで、 「プロメテウム」（原文ママ、後に綴りが変更された）という名前を提案し、「人類の知性の大胆さと、その誤用の可能性」を象徴した。この金属のサンプルが作られたのは1963年のことだった。
天然プロメチウムの2つの供給源は、天然ユーロピウム-151のまれなアルファ崩壊（プロメチウム-147を生成）とウランの自発核分裂（様々な同位体）です。プロメチウム-145は最も安定なプロメチウム同位体ですが、実用的な用途がある同位体はプロメチウム-147のみで、その化合物は発光塗料、原子電池、厚さ測定装置などに使用されています。天然プロメチウムは極めて希少であるため、通常はウラン-235（濃縮ウラン）に熱中性子を照射して核分裂生成物としてプロメチウム-147を生成することによって合成されます。
プロメチウム原子は、[ Xe ] 4f 5 6s 2の配置 で 61 個の電子を持っています。7 個の 4f および 6s 電子は価電子です。[ 6 ]化合物を形成する際、原子は最外殻の 2 個の電子と、開いた副殻に属する 1 個の 4f 電子を失います。この元素の原子半径は、すべてのランタノイドの中で 2 番目に大きいですが、隣接する元素の原子半径よりわずかに大きいだけです。[ 6 ]これは、原子番号の増加に伴うランタノイド原子の収縮という一般的な傾向 (ランタノイド収縮[ 7 ] ) に対する最も顕著な例外です。プロメチウムの多くの特性は、ランタノイドの中での位置に依存しており、ネオジムとサマリウムの特性の中間です。たとえば、融点、最初の 3 つのイオン化エネルギー、および水和エネルギーは、ネオジムよりも大きく、サマリウムよりも小さくなっています。[ 6 ]同様に、単原子ガスの沸点、イオン（Pm3 +）半径、標準生成熱の推定値は、サマリウムよりも大きく、ネオジムよりも小さい。[ 6 ]
プロメチウムは二重六方最密充填（dhcp）構造を持ち、硬度は63 kg/mm 2である。[ 8 ]この低温アルファ型は、890 °Cに加熱するとベータ体心立方（bcc）相に変化する 。[ 9 ]
プロメチウムはランタノイドのセリウム族に属し、化学的には近隣の元素と非常によく似ています。[ 10 ]プロメチウムは不安定なため、化学的研究は不完全です。いくつかの化合物が合成されていますが、それらは完全に研究されていません。一般的に、それらはピンク色または赤色を呈する傾向があります。[ 11 ] [ 12 ] 2024年5月、中性PyDGA配位子を持つプロメチウム配位錯体が水溶液中で特性評価されました。[ 13 ] Pm3 +イオンを含む酸性溶液をアンモニアで処理すると、水に不溶性のゼラチン状の淡褐色の水酸化物Pm(OH) 3沈殿物が生じます。 [ 14 ]塩酸に溶解すると、水溶性の黄色の塩PmCl3が生成されます。 [ 14 ]同様に、硝酸に溶解すると、硝酸塩Pm(NO3 ) 3が生成されます。後者も溶解性が高く、乾燥させるとNd(NO 3 ) 3と同様のピンク色の結晶を形成します。[ 14 ] Pm 3+の電子配置は[Xe] 4f 4で、イオンの色はピンクです。基底状態の項記号は5 I 4です。[ 15 ]硫酸塩は、他のセリウム族硫酸塩と同様にわずかに溶解します。その八水和物の格子定数が計算され、Pm 2 (SO 4 ) 3 · 8H 2 Oの密度が 2.86 g/cm 3であるという結論に至りました。[ 16 ]シュウ酸塩Pm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 10H 2 Oは、すべてのランタニドシュウ酸塩の中で最も溶解度が低いです。[ 17 ]
硝酸塩とは異なり、酸化物は対応するサマリウム塩に似ており、ネオジム塩には似ていない。例えばシュウ酸塩を加熱して合成された状態では、構造が不規則な白色またはラベンダー色の粉末である。[ 14 ] この粉末は600 ℃に加熱すると立方格子で結晶化する。さらに800 ℃、次いで1750 ℃でアニーリングすると、それぞれ単斜晶相と六方晶相に不可逆的に変化し、最後の2つの相はアニーリング時間と温度を調整することで相互変換できる。[ 18 ]
プロメチウムはイオンの形で+3の安定な酸化状態のみを形成します。これは他のランタニドと一致しています。プロメチウムは+2の酸化状態も形成できます。[ 19 ] Pm2 +の熱力学的性質は、ジハロゲン化物がNdCl2やSmCl2と同様に安定であることを示唆しています。[ 20 ]
プロメチウムは、安定同位体や長寿命（原始）同位体を持たない唯一のランタノイドであり、最初の 83 元素の中で 2 つしかない元素のうちの 1 つです。これは、原子核の液滴モデルと近隣元素同位体の安定性によるまれな効果の結果です。また、最初の 84 元素の中で最も不安定な元素でもあります。[ 5 ]主な崩壊生成物はネオジム同位体とサマリウム同位体です (プロメチウム 146 は両方に崩壊し、軽い同位体は一般的に陽電子崩壊と電子捕獲によってネオジムに、重い同位体はベータ崩壊によってサマリウムに崩壊します)。プロメチウムの核異性体は他のプロメチウム同位体に崩壊する可能性があり、1 つの同位体 ( 145 Pm) は安定なプラセオジム141への非常にまれなアルファ崩壊モードを持っています。[ 5 ]
この元素の最も安定な同位体はプロメチウム-145で、比放射能は139 Ci / g (5.1 TBq /g) 、電子捕獲による半減期は17.7年です。[ 5 ]中性子数が84個（安定な中性子配置に対応する魔法数である82個より2個多い）であるため、アルファ粒子（中性子2個）を放出して中性子数82個のプラセオジム-141を生成する可能性があります。したがって、実験的にアルファ崩壊が観測されている唯一のプロメチウム同位体です。[ 22 ]アルファ崩壊の部分半減期は約6.3 × 10です。 9年で、 145 Pm原子核がこのように崩壊する 相対確率は2.8 × 10⁻⁹です。−7 %。144 Pm、 146 Pm、 147 Pmなどの他のいくつかのプロメチウム同位体もアルファ崩壊で正のエネルギー放出を示します。これらのアルファ崩壊は起こると予測されていますが、観測されていません。合計で126 Pmから166 Pm まで 41 種類のプロメチウム同位体が知られています。 [ 5 ] [ 23 ]
この元素には、質量数が 133 ～ 142、144、148、149、152、および 154 の 18 個の核異性体も存在します (質量数によっては複数の異性体が存在するものもあります)。その中で最も安定なのはプロメチウム 148m で、半減期は 41.3 日です。これは、基底状態の半減期、および 143 ～ 147 を除くすべてのプロメチウム同位体の半減期よりも長くなっています。[ 5 ]
1934年、ウィラード・リビーは、純粋なネオジムに弱いベータ放射能があることを発見したと報告し、その半減期は10 12 年を超えるとされた。[ 24 ]約20年後、この元素は天然のネオジム中に、ネオジム1グラムあたり10 −20グラム未満のプロメチウムの量で平衡状態で存在すると主張された。[ 24 ]しかし、これらの観察結果は、7つの天然のネオジム同位体すべてにおいて、エネルギー保存則により、プロメチウム同位体を生成する可能性のある単一のベータ崩壊が禁止されているため、新しい調査によって否定された。[ 25 ]特に、原子質量の慎重な測定により、150 Ndと150 Pmの質量差は負（−87 keV）であることが示され、 150 Ndから150 Pmへ の単一のベータ崩壊は絶対に阻止される。[ 26 ]
1965年、オラヴィ・エラメツァはアパタイトから精製された希土類濃縮物から147 Pmの痕跡を分離し、自然界におけるプロメチウムの存在量の上限を10 −21としました。これはウランの自然核分裂、または146 Ndの中性子捕獲によって生成された可能性があります。[ 27 ]
天然ユーロピウムの両同位体は、それぞれの潜在的なアルファ娘核種とアルファ粒子の質量の合計よりも大きな質量過剰を持つため、（実際には安定であるが）アルファ崩壊してプロメチウムになる可能性がある。 [ 28 ]グランサッソ国立研究所の研究によると、ユーロピウム151は半減期5 × 10⁻⁶でプロメチウム147に崩壊する。18 年; [ 28 ]後の測定では半減期は (4.62 ± 0.95(統計) ± 0.68(系統)) × 10 18年とされた。 [ 29 ] ユーロピウムは地殻中の約 12 グラムのプロメチウムの「原因」であることが示されている。 [ 28 ]ユーロピウム 153 のアルファ崩壊はまだ発見されておらず、理論的に計算された半減期は非常に長い (崩壊エネルギーが低いため) ため、このプロセスは近い将来には観測されないだろう。 [ 30 ]
プロメチウムは、ウラン238の自発核分裂の生成物として自然界でも生成されることがある。[ 24 ]天然鉱石中には微量しか含まれておらず、ピッチブレンドのサンプルには、100京分の4（4 × 10⁻¹⁰）の濃度でプロメチウムが含まれていることがわかっている。−18）質量比。 [ 31 ]ウランは、地殻中の560 g のプロメチウム。 [ 28 ]
プロメチウムはアンドロメダ座の恒星HR 465のスペクトルでも確認されており、HD 101065（プシビルスキー星）とHD 965でも発見されている。[ 32 ]プロメチウム同位体の半減期が短いため、これらの恒星の表面付近で生成されると考えられる。[ 33 ]
1902年、チェコの化学者ボフスラフ・ブラウナーは、当時知られていた系列の連続するランタニドの中で、ネオジムとサマリウムの性質の差が最大であることを発見し、その結論として、両者の間に中間的な性質を持つ元素が存在すると示唆した。[ 34 ]この予測は1914年にヘンリー・モーズリーによって支持された。モーズリーは原子番号が元素の実験的に測定可能な性質であることを発見し、いくつかの原子番号には既知の対応する元素がないことを発見した。そのギャップは43、61、72、75、85、87であった。[ 35 ]周期表にギャップがあることがわかったため、いくつかのグループが自然環境中の他の希土類元素の中から予測された元素を探し始めた。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
最初に発見を主張したのは、イタリアのフィレンツェのルイージ・ローラとロレンツォ・フェルナンデスでした。ブラジルの鉱物モナザイトから、いくつかの希土類元素の硝酸塩濃縮物の混合物を分画結晶化によって分離した後、彼らは主にサマリウムを含む溶液を得ました。この溶液は、サマリウムと元素61に起因するX線スペクトルを示しました。彼らは自分たちの街にちなんで、元素61を「フロレンティウム」と名付けました。結果は1926年に発表されましたが、科学者たちは実験は1924年に行われたと主張しました。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42][43 ] [ 44 ]また1926年には、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、スミス・ホプキンス大学、レン・インテマの科学者グループが元素61の発見を発表しました。彼らは大学にちなんでそれを「イリニウム」と名付けました。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]これらの報告された発見はどちらも誤りであることが示されました。なぜなら、元素61に「対応する」スペクトル線はジジミウムのものと同一であり、元素61に属すると考えられていた線は、いくつかの不純物（バリウム、クロム、プラチナ）に属することが判明したからです。[ 36 ]
1934年、ヨゼフ・マタウフはついに同重体規則を定式化した。この規則の間接的な結果の1つは、元素61が安定同位体を形成できないということだった。[ 36 ] [ 48 ] 1938年から、オハイオ州立大学でHB Lawらが核実験を行った。1941年にネオジムやサマリウムの放射性同位体ではない核種が生成され、「シクロニウム」という名前が提案されたが、元素61が生成されたという化学的証拠が不足しており、その発見は広く認められなかった。[ 49 ] [ 50 ]
プロメチウムは、 1945年にオークリッジ国立研究所（当時はクリントン研究所）で、ジェイコブ・A・マリンスキー、ローレンス・E・グレンデニン、チャールズ・D・コーリエルによって、黒鉛原子炉で照射されたウラン燃料の核分裂生成物の分離と分析によって初めて生成され、特性が明らかにされました。しかし、第二次世界大戦中は軍事関連の研究で忙しかったため、彼らは1947年までその発見を発表しませんでした。[ 51 ] [ 52 ]当初提案された名前は、研究が行われた研究所にちなんで「クリントニウム」でしたが、「プロメテウム」という名前は、発見者の1人の妻であるグレース・メアリー・コーリエルによって提案されました。[ 49 ]これは、ギリシャ神話でオリンポス山から火を盗んで人間にもたらした巨人プロメテウスに由来し[ 49 ]、「人類の知性の大胆さと、その誤用の可能性」の両方を象徴しています。[ 53 ]その後、綴りは「プロメチウム」に変更されました。これは他のほとんどの金属の綴りと一致していたためです。[ 49 ]
1963年、プロメチウム金属の製造にプロメチウム(III)フッ化物が使用されました。サマリウム、ネオジム、アメリシウムの不純物を暫定的に除去した後、別のタンタルるつぼの中にあるタンタルるつぼに入れられました。外側のるつぼにはリチウム金属（プロメチウムに対して10倍過剰）が含まれていました。[ 11 ] [ 17 ]真空状態にした後、化学物質を混合してプロメチウム金属を製造しました。
生成されたプロメチウムサンプルは、融点などの金属のいくつかの特性を測定するために使用されました。[ 17 ]
1963年、ORNLではイオン交換法を用いて原子炉燃料処理廃棄物から約10グラムのプロメチウムを製造した。[ 33 ] [ 54 ] [ 55 ]
プロメチウムは、ウラン核分裂の副産物から回収するか、146 Nd に中性子を照射して147 Ndに変え、それがベータ崩壊によって147 Pmに崩壊し、半減期が 11 日となることによって生成することができる。[ 56 ]
異なる同位体の製造方法は様々であり、工業用途がある唯一の同位体であるプロメチウム-147の製造方法のみを記載する。プロメチウム-147は、ウラン-235に熱中性子を照射することにより、（他の同位体と比較して）大量に生産される。その生産量は比較的高く、全生産量の2.6%を占める。[ 57 ]プロメチウム-147を製造するもう1つの方法は、半減期が短いネオジム-147がプロメチウム-147に崩壊することである。ネオジム-147は、濃縮ネオジム-146に熱中性子を照射するか[ 58 ] 、粒子加速器で高エネルギー陽子を炭化ウラン標的に照射することによって得られる。 [ 59 ]別の方法としては、ウラン238に高速中性子を照射して高速核分裂を起こさせ、複数の反応生成物の中からプロメチウム147を生成する方法がある。[ 60 ]
1960年代初頭には、オークリッジ国立研究所は 年間650グラムのプロメチウムを生産することができ[ 61 ]、世界で唯一の大量合成施設であった[ 62 ] 。米国では1980年代初頭にグラムスケールでのプロメチウム生産が中止されたが、2010年以降に高フラックス同位体原子炉で再開される可能性がある。2010年当時、ロシアは比較的大規模にプロメチウム147を生産していた唯一の国だった。[ 58 ]
プロメチウム147のみが実験室外で使用されています。[ 49 ]これは酸化物または塩化物としてミリグラム単位で得られます。[ 63 ]この同位体は半減期が比較的長く、その放射線は物質への浸透深度が比較的小さいです。[ 63 ]
信号灯の中には、プロメチウム147から放出されるベータ線を吸収して発光する蛍光体を含む発光塗料を使用するものがある。 [ 33 ] [ 49 ]この同位体はアルファ線放出体のように蛍光体の劣化を引き起こさないため、[ 63 ]発光は数年間安定している。[ 63 ]当初はラジウム226がこの目的で使用されていたが、後にプロメチウム147とトリチウム（水素3）に置き換えられた。 [ 64 ]原子力安全の観点から、トリチウムよりもプロメチウムの方が好ましい場合がある。[ 65 ]
原子電池では、プロメチウム147から放出されるベータ粒子を、2枚の半導体層の間に小さなプロメチウム源を挟むことで電流に変換します。これらの電池の有効寿命は約5年です。[ 12 ] [ 33 ] [ 49 ]最初のプロメチウムベースの電池は1964年に組み立てられ、「遮蔽材を含めて約2立方インチの体積から数ミリワットの電力を生成」しました。[ 66 ]
プロメチウムは、試料を通過するプロメチウム線源からの放射線量を測定することによって、材料の厚さを測定するためにも使用されます。[ 33 ] [ 11 ] [ 67 ]将来的には、携帯型X線源や、宇宙探査機や衛星の補助熱源または電源として使用される可能性があります[ 68 ]（ただし、アルファ線放出核種であるプルトニウム238が、ほとんどの宇宙探査関連の用途で標準となっています）。[ 69 ]
プロメチウム147は、ごく少量（330nCi未満）ではあるが、PLC 22W/28W 15mm CFLシリーズの一部のフィリップスCFL（コンパクト蛍光灯）グロースイッチにも使用されている。 [ 70 ]
プロメチウムは、他のほとんどのランタニドと同様に、生物学的役割はありません。プロメチウム147は、ベータ崩壊時にガンマ線を放出しますが、これはすべての生命体にとって危険です。[ 71 ]特定の予防措置を講じれば、微量のプロメチウム147との相互作用は危険ではありません。[ 72 ]一般的に、手袋、靴カバー、安全メガネ、および簡単に脱着できる保護服のアウターレイヤーを使用する必要があります。[ 73 ]
プロメチウムとの相互作用によって影響を受ける人体の臓器は不明です。骨組織が候補として考えられます。[ 73 ]密封されたプロメチウム147は危険ではありません。しかし、包装が破損すると、プロメチウムは環境と人体に危険になります。放射能汚染が発見された場合は、汚染された場所を水と石鹸で洗い流す必要がありますが、プロメチウムは主に皮膚に影響を与えますが、皮膚を擦りむいてはいけません。プロメチウムの漏洩が発見された場合は、その場所を危険区域として指定して避難させ、緊急サービスに連絡しなければなりません。放射能以外のプロメチウムの危険性は知られていません。[ 73 ]