我们身边的稀土

我们身边的稀土

1794年的一天，芬兰的噶多林教授，从瑞典斯德哥尔摩附近的矿石中分离出一种新土，它具有碱金属特性，由于其含量少，便将其命名为稀土。这种新土便是日后占据元素周期表中原子序数从57～71的15种镧系元素的混合物。这15个镧系元素由于其化学性质十分相似，彼此像亲兄弟似的很难分离得开，所以使它们经历了漫长的160年才被全部发现。它们相当于一个元素而处于元素周期表的一个格子里。镧系元素与在周期表中相邻的电子结构和化学性质相近的钪（Sc）和钇（Y）一起统称为稀土元素。

稀土元素名称的本意是稀少的元素，后来发现的事实说明这种想法错了。如果比较一下各种元素在地壳中的含量，就知道稀土元素并不稀少，如铈在地壳中的含量为4．6×10^－5，而我们常见的铅仅为1．6×10^－5，锌也只有4．0×10^－5。连稀土元素中含量最少的铥也有2．0×10^－7，与铋的含量相差无几，而比贵重金属元素金和铂的含量要高得多。稀土在地球上分布不均匀，西欧和日本均无分布，国外工业储量约为700万吨，我国工业储量约3600万吨，远景储量1亿吨，世界上约80%的稀土元素分布在我国，可以说我国是当之无愧的稀土大国。因此，稀土元素的开发应用是我国当前的一项很迫切的课题。

1886年，奥地利人发明了采用硝酸钍加少量稀土元素制造汽灯纱罩的技术，并申请了发明专利，拉开了稀土元素应用的序幕。虽然稀土这个名词对于大多数人来说可能是陌生的，但实际上随着科学技术的发展，稀土材料已进入寻常百姓家，我们每个人都会在日常生活中接触到稀土材料，稀土就在您身边。当您清晨起床，打开铝合金窗门，一缕新鲜、清凉的空气涌入屋内，您是否想到在这铝合金中含有千分之几的稀土元素，而使其牢固性和加工性能增强；当您打开煤气灶烹调可口的饭菜时，您可曾想到点燃煤气的打火石就是由稀土金属做成的；我们天天观看电视节目，银屏上斑斓鲜艳的色彩令人赏心悦目，心旷神怡，这是由于在彩色电视机荧光屏上涂有含稀土元素钇和铕的荧光粉；当您挎着照相机，记录美好的瞬间，您可知道高级照相机镜头中含有镧，而且制作高质量镜片所用的抛光粉是氧化铈；您手上带的石英表、随身携带的微小型录放机，里面都装有钕和钐的水磁体器件；当您坐车行驶在夜晚的高速公路上，在车灯的照映下看见明亮的路标和路线标志时，您可知道这种高效反光材料中含有镧？当您回到家中，打开紧凑型节能灯，那柔和明亮的白色灯光原来是由红色、绿色和蓝色三种基本颜色的混合稀土荧光粉发出的。

稀土元素参与制成的荧光材料、永磁材料、特种玻璃、精密陶瓷、磁制冷材料、磁致伸缩材料和超导材料等，将会在国民经济中得到越来越多的应用。例如，高架的高压输电线路从遥远的发电厂把电力源源不断地输送给工厂、城市等用电户，一部分电在输送过程中由于线路的电阻而被损耗掉了。如果输电的电缆电阻为零，那么不论多么长的输电线路都不会发生电力损耗。这个梦想随着稀土高温超导材料的发现，已有可能实现。目前，已经制造出了钇钡铜氧系（Y－Ba－Cu－O）超导材料和线材。妨碍这种材料实用的一个主要问题是这种超导材料的超导转变温度在－170℃左右，必须使其超导转变温度接近室温才能得到实际的应用。

超导材料除了具有零电阻的特性外，还有一个特性就是完伞抗磁性。在超导状态的物体上面放一块磁体，两者由于相互排斥，而使磁体离开超导体表面悬浮在空中。这种性质导致了超导材料的另外一个应用，即制造时速可达500千米／时的磁悬浮超高速列车。磁悬浮列车由于没有了车体与铁轨之间的摩擦，阻力大大减小，时速大为提高，可以说是火车制造业的一场革命。从20世纪80年代起，好几个国家都在做这方面的尝试。

稀土元素的另一个前景很好的用途是用来探测生物物质。因为除了镧和镥以外，稀土元素用紫外光照射时，会发出五颜六色的可见光。例如，钐发出的光是橙红色的，铕发出的光是红色的，铽发出的光是绿色的，等等。一些稀土元素能和一些生物活性物质，如蛋白质、酶、抗体、维生素、病毒、细菌等结合生成很稳定的化合物，用紫外光照射时，这些化合物就会发出光来。发光的强度与化合物含量有关，我们可通过测量光的强度来间接地得到生物物质的含量。由于不同的稀土元素发出的光的颜色不同，我们可用不同的稀土离子与不同的生物物质结合，这样可以一次测量同一样品中不同活性物质的浓度，大大提高工作效率。这种方法方便快捷，而且不污染环境，很受科学家们的欢迎，人们给这种方法起了个名字叫荧光免疫分析。稀土元素在其中起到的作用就如同一根探针，所以就叫它们是稀土探针。稀土元素除了用作荧光探针以外，还可用作核磁共振探针、顺磁共振探针、可见吸收光谱探针等。

上面所举的事例只是稀土元素应用的极少数几个例子，在这里许多稀土元素的应用还没有谈及。但是，窥一斑而知全豹，通读此篇，大家会对稀土元素有些了解，并产生兴趣。其实，稀土元素就像一个神秘的宝藏，还有许许多多的特性和潜在应用没有开发，这方面的研究大有可为。我国在有关稀土元素应用方面的研究比较落后，许多稀土的原材料以便宜的价格卖给国外，而他们在制成产品后，又以高价卖给我们。因此，我们希望新一代有志青年，能积极地投身到稀土应用研究的工作中来，使我国真正成为一个稀土强国。