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钷

一月 13, 2023

钷（拼音：pǒ，注音：ㄆㄛˇ；英語：Promethium），是一種化學元素，其化學符號为Pm，原子序數为61，属于镧系元素，也是稀土元素之一。钷是镧系及稀土元素中唯一一个没有稳定同位素的元素，其所有同位素都具有放射性，其中壽命最長的是鉕-145，半衰期約17.7年。由於缺乏長壽命的同位素，钷在自然界中极为稀有，同一時間在地壳中自然存在的钷只有大约500-600克。原子序小於83（鉍）的元素中只有钷和锝没有稳定的同位素，钷也是前84种元素中（钋以前）最不稳定的元素。如同大多數稀土元素，钷只表现出一种稳定的氧化态，即+3。

钷   61Pm
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
-
↑
钷
↓
錼
钕 ← 钷 → 钐
外觀
金属光泽

钷的發射光譜
概況
名稱·符號·序數钷（promethium）·Pm·61
元素類別镧系元素
族·週期·區不適用 ·6·f
標準原子質量[145]
电子排布[氙] 4f5 6s2
2, 8, 18, 23, 8, 2
歷史
發現雅各布·A·馬林斯基（英语：Jacob A. Marinsky）、勞倫斯·E·格蘭丹寧（英语：Lawrence E. Glendenin）、查爾斯·D·科耶爾（英语：Charles D. Coryell）（1945年）
命名葛蕾絲·瑪麗·科耶爾（Grace Mary Coryell）（1945年）
物理性質
物態固态
密度（接近室温）
7.26 g·cm−3
熔点1315 K，1042 °C，1908 °F
沸點3273 K，3000 °C，5432 °F
熔化热7.13 kJ·mol−1
汽化热289 kJ·mol−1
蒸氣壓
原子性質
氧化态+3
（中等鹼性的氧化物）
电负性? 1.13（鲍林标度）
电离能第一：540 kJ·mol−1

第二：1050 kJ·mol−1

第三：2150 kJ·mol−1
原子半径183 pm
共价半径199 pm
雜項
晶体结构六方晶系
磁序顺磁性[1]
电阻率(r.t.) est. 0.75 µ Ω·m
熱導率17.9 W·m−1·K−1
热膨胀系数(r.t.) (α, 晶体)
est. 11 µm/(m·K)
杨氏模量(α 式) est. 46 GPa
剪切模量(α 式) est. 18 GPa
体积模量(α 式) est. 33 GPa
泊松比(α 式) est. 0.28
CAS号7440-12-2
最穩定同位素
主条目：钷的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量（MeV） 產物
145Pm 痕量 17.7 年 ε 0.163 145Nd
146Pm 人造 5.53 年 ε 1.472 146Nd
β− 1.542 146Sm
147Pm 痕量 2.6234 年 β− 0.224 147Sm

1902年，博胡斯拉夫·布劳纳（英语：Bohuslav Brauner）提出有一种当时未知的元素，其性质介于已知元素钕（60）和钐（62）之间；1914年，亨利·莫斯利证实了这一点，他测量了当时所有已知元素的原子序数，发现原子序数61的位置是空缺的。1926年，有两个小组（一组意大利人和一组美国人）分別声称分离出了61号元素的样品；这两个「发现」很快被证明是错误的。[2] [3] 1945年，在橡树岭国家实验室，通过對石墨反應爐中照射的铀燃料之裂变产物进行分离與分析，首次发现并确认61号元素的存在。发现者提出了 "Prometheum" 这个名字（后来拼写改为Promethium），来源于希腊神话中从奥林匹斯山盗取火种并将火种帶給人类的泰坦普羅米修斯，象征着「人类智慧的大胆和可能的被滥用」。第一件钷金属的样本直到1963年才被制造出来。

钷在自然界中有两种可能的来源：天然铕-151的α衰变（产生钷-147）和铀的自發裂變（产生各种同位素）。尽管钷-145是最稳定的钷同位素，但钷的实际应用只侷限于钷-147的化合物，这些化合物被用于夜光漆（英语：Luminous paint）、核電池和厚度量测装置。由于天然钷极为稀少，通常是通过用热中子轰击铀-235（浓缩铀）来合成钷-147。

性质

物理性质

钷原子有61个电子，以[Xe]4f56s2的电子组态排列。[4]在形成化合物时，钷原子会失去两个最外层的电子和一个属于开放亚壳层的4f电子。[4]钷的金屬半徑雖然仅略大于其邻近元素釹和釤，卻是所有镧系元素中金屬半徑第二大的。[4]钷是镧系收缩現象[註 1]中最显著的例外[5]。

钷在元素週期表中位於钕和钐之间，其许多性质也介于钕和钐之间。例如，钷的熔点、第一至第三电离能和水合能均大于钕，而低于钐；[4]同样的，钷變為单原子气体的沸点、Pm3+离子的半径和标准形成热的估计值都大于钐，而小于钕。[4]

钷具有α相与β相两种同素異形體。鉕在常溫下為α相，为双六方最密堆积（DHCP）结构，硬度为63kg/mm2。[6]α相鉕在加热到890℃时会转换成体心立方（bcc）結構的β相鉕。[7]

化学性质与化合物

钷属于镧系元素中的铈组，与邻近元素的化学性质非常相似。[8]由于其不稳定性，对钷的化学研究还不完全，即使已经合成了一些化合物，也没有得到充分的研究。一般來說，钷化合物往往呈粉红色或红色。[9][10]

如同大多數鑭系元素，钷只會形成一种稳定的氧化态，即+3。根据其在元素周期表中的位置，钷應無法形成稳定的+4或+2氧化态。Pm3+离子的颜色为粉红色，电子组态为[Xe]4f4。基态符号为5I4。[11]用强氧化剂或还原剂与含有Pm3+离子的化合物，发现钷离子不易被氧化或还原。[8]

用氨水处理含有Pm3+离子的酸性溶液，可得到不溶于水的浅褐色胶状氢氧化钷（Pm(OH)3）沉淀。[12]当钷溶于盐酸时，将产生水溶性的黄色氯化钷（PmCl3）。[12]同样地，将钷溶解在硝酸中时，即生成硝酸钷（Pm(NO3)3）。[12]硝酸钷易溶于水，乾燥后形成粉红色晶体，与硝酸钕（Nd(NO3)3）类似。钷硫酸盐与其它铈族稀土的硫酸盐一样微溶于水，科学家在计算出八水合硫酸钷（Pm2(SO4)3·8 H2O）的晶格常数后，导出其密度是2.86 g/cm3。[13]十水合草酸钷（Pm2(C2O4)3·10 H2O）在所有镧系草酸盐中溶解度最低。[14]

 
氯化钷(III)漆钮，其表面的硫化锌塗層因钷放射出的β粒子而发光

与硝酸盐不同，钷的氧化物类似于相应的钐盐，而不是钕盐。以钷草酸盐为例，在初始合成态下的样品是一种白色或淡紫色的粉末，结构紊乱。[12]这种粉末在加热到600℃时會结晶为立方晶格。如果继续加热至800℃或1750℃時再进一步退火，会分别将其不可逆地转变为单斜晶系和六方晶系結構；最后两相可以通过调整退火时间和温度相互转换[15]。

化学式 对称性 空间群 No 皮尔逊符号 a (pm) b (pm) c (pm) Z 密度,
g/cm3
α-Pm DHCP[6][7] P63/mmc 194 hP4 365 365 1165 4 7.26
β-Pm 体心立方[7] Fm3m 225 cF4 410 410 410 4 6.99
Pm2O3 立方晶[15] Ia3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6.77
Pm2O3 单斜晶[15] C2/m 12 mS30 1422 365 891 6 7.40
Pm2O3 六方晶[15] P3m1 164 hP5 380.2 380.2 595.4 1 7.53
钷的鹵化物[16]
化學式 顏色 配位數 對稱性 空間群 No 皮爾遜符號 m.p. (°C)
PmF3 粉紫色 11 六方晶 P3c1 165 hP24 1338
PmCl3 薰衣草色 9 六方晶 P63/mc 176 hP8 655
PmBr3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 624
α-PmI3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 α→β
β-PmI3 紅色 6 菱面體 R3 148 hR24 695

同位素

主条目：钷的同位素

钷沒有穩定的同位素，即所有同位素都具有放射性。钷是镧系元素及稀土元素中唯一一個沒有穩定同位素的元素，也是前83种元素中仅有的两個没有稳定或长寿命同位素的元素之一（另一個為鎝），更是前84种元素中（钋以前）最不稳定的元素。[17]鉕和鎝是液滴模型的特例，而相邻元素（釹和釤）的稳定性也连带影响钷的稳定性。根據馬陶赫同量異位素規則，若兩個在週期表上相鄰的元素各有一個質量數彼此相等的同位素的話，其中一個必然會有放射性[18][19]，而和鉕相鄰的釹與釤都有對β衰變穩定、且質量數位於照理來說鉕的同位素會對β衰變穩定的質量範圍內的同位素，因而造成鉕沒有穩定的同位素。

壽命最長的钷同位素是钷-145，放射性强度为每克940居里（35TBq），主要衰變方式為电子俘获，半衰期为17.7年。[17][20]因为它有84个中子（比82多2个中子，而82是其中一个对应于稳定中子构型的幻数），能够藉由放出一个α粒子（有2个中子）形成穩定的、具有82个中子的镨-141，因此它也是唯一具有实验观察到會發生α衰变的钷同位素[21]，但發生的相对概率極低，为2.8×10-7 %，其α衰变的部分半衰期约为6.3×109年。其他几种钷同位素如144Pm、146Pm和147Pm也有足够能量进行α衰变，但目前尚未被观测到。钷主要的衰变产物是钕和钐的同位素（钷-146会衰变为这两种同位素，其余较轻的同位素一般通过正电子发射和电子俘获转变成钕，较重的同位素通过β衰变成钐）。而其同核异构体可衰变为其他钷同位素。目前共发现了从126Pm到166Pm这41种钷的同位素。[17][22]

钷有18种同核异构体，质量数分别为133至142、144、148、149、152和154（有些质量数的核异构体不止一种）。其中最稳定的是钷-148m，半衰期为43.1天；这比除钷-143～147以外的所有钷同位素基态的半衰期都长。事实上，钷-148m的半衰期甚至比其基态钷-148的半衰期更长。[17]

歷史

搜索61號元素

1902年，捷克化學家博胡斯拉夫·布勞納（英语：Bohuslav Brauner）發現所有相鄰的鑭系元素中，釹和釤之間的差異是最大的，因此他推測有一個未知元素的性質介於兩者之間。[23]這一預測在1914年由亨利·莫斯利所證實，因為他測出所有當時已知元素的原子序後，發現有幾個原子序並沒有相對應的元素，分別為43、61、72、75、85和87，其中61號的空缺便位於稀土元素釹和釤之間。[24]之後許多科學家團隊開始在稀土礦物中尋找未知的61號元素。[25][26][27]

第一個發表其發現的是來自意大利佛羅倫斯的路易吉·羅拉（Luigi Rolla）和洛倫佐·費爾南德斯（Lorenzo Fernandes）。他們使用分段結晶（英语：Fractional crystallization (chemistry)）法從巴西產的獨居石中分離出了少量稀土硝酸鹽濃縮物的混合物後，得到了一種主要含有釤的溶液。他們將該溶液發出的X射線光譜歸因於釤和61號元素。為了紀念他們所在的城市，他們將61號元素命名為「florentium」。該研究結果發表於1926年，但他們聲稱實驗是在1924年完成的。[28][29][30][31][32][33]同時，在1926年，來自伊利諾大學厄巴納-香檳分校的一組科學家史密斯·霍普金斯（Smith Hopkins）和萊昂·英特馬（Len Yntema）也發表了61號元素的發現，他們以伊利諾大學之名將其命名為「illinium」。[34][35][36]兩組科學家的發現報告都被證明是錯誤的，因為在其結果中與61號元素“對應”的譜線和didymium的譜線基本相同；被認為屬於61號元素的幾條譜線是由樣本中所含的少數雜質（鋇、鉻和鉑）發出的。[25]

1934年，約瑟夫·馬陶赫（英语：Josef Mattauch）提出了馬陶赫同量異位素規則，從該規則推導出的其中一個結果就是61號元素無法形成穩定的同位素。[25][18]1938年，HB Law等人在俄亥俄州立大學開啟了一次核實驗，實驗於1941年時產生的一些核素被確認不是釹或釤的放射性同位素，他們將其命名為「cyclonium」，但沒有化學證據證明其中含有61号元素，故这一发现没有得到普遍认可。[37][38]

鉕的發現與生產

1945年，雅各布·A·馬林斯基（英语：Jacob A. Marinsky）、勞倫斯·E·格蘭丹寧（英语：Lawrence E. Glendenin）和查爾斯·D·科耶爾（英语：Charles D. Coryell）在美國橡樹嶺國家實驗室（當時稱為柯林頓實驗室）將鈾燃料置於石墨反應爐中輻照後分離並分析其裂變產物時首次發現了61號元素。然而，由於當時學界在二戰期間忙於與軍事相關的研究，他們直到1947年才宣布61號元素的發現。[39][40]他們原本考慮以柯林頓實驗室之名將該元素命名為「Clintonium」，不過最終採用了發現者之一科耶爾的妻子葛蕾絲·瑪麗·科耶爾（Grace Mary Coryell）提出的名字「Prometheum」。[37]該名稱出自希臘神話中從奧林匹斯山盜火給人類使用的泰坦普羅米修斯[37]，象徵「人類智慧的大膽和可能的被濫用」。[41]「Prometheum」之後被改為和大多數元素名稱格式一致的「Promethium」（鉕） 。[37]

  •  

    雅各布·A·馬林斯基（英语：Jacob A. Marinsky）

  •  

    勞倫斯·E·格蘭丹寧（英语：Lawrence E. Glendenin）

  •  

    查爾斯·D·科耶爾（英语：Charles D. Coryell）

1963年，科學家首次利用氟化鉕（III）製造出鉕金屬。將氟化鉕暫時提純、去除其中的釤、釹和鋂等雜質後，將樣本置於一鉭製坩堝中，再將盛有氟化鉕的坩堝置於另一裝有相對於氟化鉕十倍量的鋰金屬的鉭製坩堝內。[9][14]將實驗環境抽真空後，兩坩堝內的化學品混合、反應並置換出鉕金屬：

PmF3 + 3 Li → Pm + 3 LiF

反應生成的鉕樣品被用於測量鉕金屬的一些性質，例如其熔點等。[14]

1963年，橡樹嶺國家實驗室使用離子交換法從核反應爐的核燃料加工廢料中分離出了大約10克的鉕。直至今日，鉕的主要來源依然是作為鈾裂變生成的副產品之一被提取出。[20][42][43]

也可以透過用中子轟擊146Nd使之轉變為147Nd，接著147Nd發生β衰變（半衰期11天）生成147Pm。[44]

自然產生

 
地殼中大部分的鉕存在於瀝青鈾礦中

1934年，威拉德·利比發現純釹樣本中具有弱β活度，並將該現象歸因於部分釹同位素具有超過1012年的長半衰期。[45]約20年後，有人依此聲稱每克天然釹中就有10-20克以下的鉕作為釹的衰變產物存在於其中。[45]然而，該言論已被新的調查結果否定了。因為根據能量守恆定律，天然存在的七個釹同位素都無法藉由發生β衰變產生鉕的同位素。[46]對原子質量的精細測量結果表明，150Nd-150Pm的質量差為負（−87keV），使得150Nd絕對不可能發生單β衰變轉變為150Pm。[47]

1965年，奧拉維·埃拉梅查（英语：Olavi Erämetsä）從磷灰石中提取的稀土精礦中分離出痕量的145Pm，推導出自然界中鉕的豐度上限為10−21。这些钷可能是由铀的自发裂变或是146Nd的宇宙射線散裂产生的。[48]

根據理論計算，兩種天然的銪同位素151Eu和153Eu都有可能發生α衰變形成鉕的同位素[49]，但兩者長久以來在觀測上都是穩定的。不過義大利格蘭沙索國家實驗室（英语：Laboratori Nazionali del Gran Sasso）已在研究中測得了151Eu發生α衰變形成147Pm的半衰期，長達5×1018年。[49]目前已證明同一時間地殼中約有12克的鉕是由151Eu衰變而成。[49]至於目前仍未觀察到153Eu發生α衰變，理論計算顯示153Eu的半衰期非常長（因為其衰變能量低），其衰變過程可能永遠不會被觀測到。

地殼中的鉕還可能是鈾-238的自發裂變產物[45]，科學家已從瀝青鈾礦等礦石中發現痕跡量的鉕（平均濃度約為4×10-18）[50]，地殼中約有560克的鉕是鈾的裂變產物。[49]

在仙女座GY、普瑞茲畢爾斯基星和HD 965等恆星的光譜中也發現了鉕的存在。[51]由於鉕同位素的半衰期都很短，所以它們通常是在恆星的表面附近形成的。[20]

生產

不同钷同位素的生产方法各不相同，本節只给出钷-147的生产方法，因为它是唯一具有工业应用的钷同位素。

钷-147是通过用热中子轰击铀-235来大量生产的，与其他同位素相比产量相对较高，占铀-235裂變產物總量的2.6%。[52]另一种生产钷-147的方法是通过用热中子轰击浓缩的钕-146或在粒子加速器中用高能质子轰击碳化铀（英语：Uranium carbide）靶来获得钕-147，接著钕-147快速衰变为钷-147。[53]另一种方法是用快中子轰击铀-238，引起快速裂变，在多种反应产物中产生钷-147。[54]

在1960年代，橡树岭国家实验室（ORNL）每年可生产650克钷[55]，是世界上唯一大批量合成钷的设施，[56]然而美国在1980年代初已停止了公克级的钷之生产，不過隨著2010年代ORNL的高通量同位素反應爐（英语：High Flux Isotope Reactor）的重新啟用，ORNL將有機會恢复钷的生产。目前，俄罗斯是唯一较大规模生产钷-147的国家。[57]

應用

大多数钷只用于科學研究，但钷-147除外，它可以在实验室外找到。[37]它可以以氧化物或氯化物的形式[58]以毫克為單位获得。[37]钷-147不发射γ射线，其放出的β射線在物质中的穿透深度较小，且半衰期相对较长。[58]

有些信号灯使用的发光涂料（英语：Luminous paint）中含有一种荧光粉，能吸收钷-147发出的β射線而发光。[20][37]钷-147不会像α放射源那样引起荧光粉的老化，[58]因此能稳定发光几年的時間。最初，镭-226被用于此目的，但后来被放射性更低的钷-147和氚（氢-3）所取代。[59]基于核安全的原因，钷可能再比氚更受青睐。[60]

在核电池中，通过在两块半导体板之间夹入一个小型钷放射源，能将钷-147发射的β粒子转化为电流。这種电池的使用寿命约为5年。第一块以钷作為電源的核电池组装于1964年，能从大约2立方英寸的体积（含外殼）中产生几毫瓦的功率。[61]

钷还可用于测量材料的厚度，以钷源通过样品的β粒子之辐射量估算。[20][9][62] 它今后還可能用于便携式X射線機，以及作为太空探测器和人造卫星的辅助热源或电源[63]（尽管發射α粒子的钚-238已成为大多数太空探索相关用途的标准放射源）。[64]

生物作用和注意事項

如同其他鑭系元素，鉕在生物體中不發揮任何生物作用，但其化學毒性也不高。除了放射性之外，鉕對人體沒有任何危害。[65]鉕-147在β衰變過程中發出的γ射線會對生命體構成危害。[66]如果做好足夠的安全措施（配戴手套、鞋套、安全眼鏡以及易於脫下的防護服），那麼微量的鉕-147是無害的。[67][65]

目前尚不清楚鉕和人體相互作用後會對哪些器官造成影響，目前推測可能會傷害人的骨組織。[65]密封的鉕-147是無害的，但如果包裝破損，那麼洩漏的電離輻射便會對環境和人類造成危害。如果發現放射性污染，受污染的地方應用肥皂和水清洗。若在一地區發現鉕洩漏，該地區應認定為危險並立即疏散周遭人口，且必須聯繫警方等緊急服務單位。[65]

註釋

  1. ^ 镧系收缩是指镧系元素中原子半径會随著原子序数增加而逐漸縮小的一般趋势

參考文獻

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互联网档案馆的，存档日期2011-03-03., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ Noyes, W. A. Florentium or Illinium?. Nature. 1927, 120: 14. doi:10.1038/120014c0. 
  3. ^ Rolla, L. Florentium or Illinium?. Nature. 1927, 119: 637. doi:10.1038/119637a0. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements 2nd. Oxford:Butterworth-Heinemann. 1997: 1233. ISBN 0-7506-3365-4. 
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参考书目

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外部連結

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  • EnvironmentalChemistry.com —— 钷（英文）
  • 元素钷在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
  • 元素钷在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
  • WebElements.com – 钷（英文）

一月 13, 2023
拼音, 注音, ㄆㄛˇ, 英語, promethium, 是一種化學元素, 其化學符號为pm, 原子序數为61, 属于镧系元素, 也是稀土元素之一, 是镧系及稀土元素中唯一一个没有稳定同位素的元素, 其所有同位素都具有放射性, 其中壽命最長的是鉕, 半衰期約17, 7年, 由於缺乏長壽命的同位素, 在自然界中极为稀有, 同一時間在地壳中自然存在的只有大约500, 600克, 原子序小於83, 的元素中只有和锝没有稳定的同位素, 也是前84种元素中, 钋以前, 最不稳定的元素, 如同大多數稀土元素, 只表现出一种稳定. 钷 拼音 pǒ 注音 ㄆㄛˇ 英語 Promethium 是一種化學元素 其化學符號为Pm 原子序數为61 属于镧系元素 也是稀土元素之一 钷是镧系及稀土元素中唯一一个没有稳定同位素的元素 其所有同位素都具有放射性 其中壽命最長的是鉕 145 半衰期約17 7年 由於缺乏長壽命的同位素 钷在自然界中极为稀有 同一時間在地壳中自然存在的钷只有大约500 600克 原子序小於83 鉍 的元素中只有钷和锝没有稳定的同位素 钷也是前84种元素中 钋以前 最不稳定的元素 如同大多數稀土元素 钷只表现出一种稳定的氧化态 即 3 钷 61Pm氫 非金屬 氦 惰性氣體 鋰 鹼金屬 鈹 鹼土金屬 硼 類金屬 碳 非金屬 氮 非金屬 氧 非金屬 氟 鹵素 氖 惰性氣體 鈉 鹼金屬 鎂 鹼土金屬 鋁 貧金屬 矽 類金屬 磷 非金屬 硫 非金屬 氯 鹵素 氬 惰性氣體 鉀 鹼金屬 鈣 鹼土金屬 鈧 過渡金屬 鈦 過渡金屬 釩 過渡金屬 鉻 過渡金屬 錳 過渡金屬 鐵 過渡金屬 鈷 過渡金屬 鎳 過渡金屬 銅 過渡金屬 鋅 過渡金屬 鎵 貧金屬 鍺 類金屬 砷 類金屬 硒 非金屬 溴 鹵素 氪 惰性氣體 銣 鹼金屬 鍶 鹼土金屬 釔 過渡金屬 鋯 過渡金屬 鈮 過渡金屬 鉬 過渡金屬 鎝 過渡金屬 釕 過渡金屬 銠 過渡金屬 鈀 過渡金屬 銀 過渡金屬 鎘 過渡金屬 銦 貧金屬 錫 貧金屬 銻 類金屬 碲 類金屬 碘 鹵素 氙 惰性氣體 銫 鹼金屬 鋇 鹼土金屬 鑭 鑭系元素 鈰 鑭系元素 鐠 鑭系元素 釹 鑭系元素 鉕 鑭系元素 釤 鑭系元素 銪 鑭系元素 釓 鑭系元素 鋱 鑭系元素 鏑 鑭系元素 鈥 鑭系元素 鉺 鑭系元素 銩 鑭系元素 鐿 鑭系元素 鎦 鑭系元素 鉿 過渡金屬 鉭 過渡金屬 鎢 過渡金屬 錸 過渡金屬 鋨 過渡金屬 銥 過渡金屬 鉑 過渡金屬 金 過渡金屬 汞 過渡金屬 鉈 貧金屬 鉛 貧金屬 鉍 貧金屬 釙 貧金屬 砈 類金屬 氡 惰性氣體 鍅 鹼金屬 鐳 鹼土金屬 錒 錒系元素 釷 錒系元素 鏷 錒系元素 鈾 錒系元素 錼 錒系元素 鈽 錒系元素 鋂 錒系元素 鋦 錒系元素 鉳 錒系元素 鉲 錒系元素 鑀 錒系元素 鐨 錒系元素 鍆 錒系元素 鍩 錒系元素 鐒 錒系元素 鑪 過渡金屬 𨧀 過渡金屬 𨭎 過渡金屬 𨨏 過渡金屬 𨭆 過渡金屬 䥑 預測為過渡金屬 鐽 預測為過渡金屬 錀 預測為過渡金屬 鎶 過渡金屬 鉨 預測為貧金屬 鈇 貧金屬 鏌 預測為貧金屬 鉝 預測為貧金屬 鿬 預測為鹵素 鿫 預測為惰性氣體 钷 錼钕 钷 钐外觀金属光泽钷的發射光譜概況名稱 符號 序數钷 promethium Pm 61元素類別镧系元素族 週期 區不適用 6 f標準原子質量 145 电子排布 氙 4f5 6s22 8 18 23 8 2歷史發現雅各布 A 馬林斯基 英语 Jacob A Marinsky 勞倫斯 E 格蘭丹寧 英语 Lawrence E Glendenin 查爾斯 D 科耶爾 英语 Charles D Coryell 1945年 命名葛蕾絲 瑪麗 科耶爾 Grace Mary Coryell 1945年 物理性質物態固态密度 接近室温 7 26 g cm 3熔点1315 K 1042 C 1908 F沸點3273 K 3000 C 5432 F熔化热7 13 kJ mol 1汽化热289 kJ mol 1蒸氣壓原子性質氧化态 3 中等鹼性的氧化物 电负性 1 13 鲍林标度 电离能第一 540 kJ mol 1第二 1050 kJ mol 1 第三 2150 kJ mol 1原子半径183 pm共价半径199 pm雜項晶体结构六方晶系磁序顺磁性 1 电阻率 r t est 0 75 µ W m熱導率17 9 W m 1 K 1热膨胀系数 r t a 晶体 est 11 µm m K 杨氏模量 a 式 est 46 GPa剪切模量 a 式 est 18 GPa体积模量 a 式 est 33 GPa泊松比 a 式 est 0 28CAS号7440 12 2最穩定同位素主条目 钷的同位素同位素 丰度 半衰期 t1 2 衰變方式 能量 MeV 產物145Pm 痕量 17 7 年 e 0 163 145Nd146Pm 人造 5 53 年 e 1 472 146Ndb 1 542 146Sm147Pm 痕量 2 6234 年 b 0 224 147Sm1902年 博胡斯拉夫 布劳纳 英语 Bohuslav Brauner 提出有一种当时未知的元素 其性质介于已知元素钕 60 和钐 62 之间 1914年 亨利 莫斯利证实了这一点 他测量了当时所有已知元素的原子序数 发现原子序数61的位置是空缺的 1926年 有两个小组 一组意大利人和一组美国人 分別声称分离出了61号元素的样品 这两个 发现 很快被证明是错误的 2 3 1945年 在橡树岭国家实验室 通过對石墨反應爐中照射的铀燃料之裂变产物进行分离與分析 首次发现并确认61号元素的存在 发现者提出了 Prometheum 这个名字 后来拼写改为Promethium 来源于希腊神话中从奥林匹斯山盗取火种并将火种帶給人类的泰坦普羅米修斯 象征着 人类智慧的大胆和可能的被滥用 第一件钷金属的样本直到1963年才被制造出来 钷在自然界中有两种可能的来源 天然铕 151的a衰变 产生钷 147 和铀的自發裂變 产生各种同位素 尽管钷 145是最稳定的钷同位素 但钷的实际应用只侷限于钷 147的化合物 这些化合物被用于夜光漆 英语 Luminous paint 核電池和厚度量测装置 由于天然钷极为稀少 通常是通过用热中子轰击铀 235 浓缩铀 来合成钷 147 目录 1 性质 1 1 物理性质 1 2 化学性质与化合物 1 3 同位素 2 歷史 2 1 搜索61號元素 2 2 鉕的發現與生產 3 自然產生 4 生產 5 應用 6 生物作用和注意事項 7 註釋 8 參考文獻 9 参考书目 10 外部連結性质 编辑物理性质 编辑 钷原子有61个电子 以 Xe 4f56s2的电子组态排列 4 在形成化合物时 钷原子会失去两个最外层的电子和一个属于开放亚壳层的4f电子 4 钷的金屬半徑雖然仅略大于其邻近元素釹和釤 卻是所有镧系元素中金屬半徑第二大的 4 钷是镧系收缩現象 註 1 中最显著的例外 5 钷在元素週期表中位於钕和钐之间 其许多性质也介于钕和钐之间 例如 钷的熔点 第一至第三电离能和水合能均大于钕 而低于钐 4 同样的 钷變為单原子气体的沸点 Pm3 离子的半径和标准形成热的估计值都大于钐 而小于钕 4 钷具有a相与b相两种同素異形體 鉕在常溫下為a相 为双六方最密堆积 DHCP 结构 硬度为63kg mm2 6 a相鉕在加热到890 时会转换成体心立方 bcc 結構的b相鉕 7 化学性质与化合物 编辑 钷属于镧系元素中的铈组 与邻近元素的化学性质非常相似 8 由于其不稳定性 对钷的化学研究还不完全 即使已经合成了一些化合物 也没有得到充分的研究 一般來說 钷化合物往往呈粉红色或红色 9 10 如同大多數鑭系元素 钷只會形成一种稳定的氧化态 即 3 根据其在元素周期表中的位置 钷應無法形成稳定的 4或 2氧化态 Pm3 离子的颜色为粉红色 电子组态为 Xe 4f4 基态符号为5I4 11 用强氧化剂或还原剂与含有Pm3 离子的化合物 发现钷离子不易被氧化或还原 8 用氨水处理含有Pm3 离子的酸性溶液 可得到不溶于水的浅褐色胶状氢氧化钷 Pm OH 3 沉淀 12 当钷溶于盐酸时 将产生水溶性的黄色氯化钷 PmCl3 12 同样地 将钷溶解在硝酸中时 即生成硝酸钷 Pm NO3 3 12 硝酸钷易溶于水 乾燥后形成粉红色晶体 与硝酸钕 Nd NO3 3 类似 钷硫酸盐与其它铈族稀土的硫酸盐一样微溶于水 科学家在计算出八水合硫酸钷 Pm2 SO4 3 8 H2O 的晶格常数后 导出其密度是2 86 g cm3 13 十水合草酸钷 Pm2 C2O4 3 10 H2O 在所有镧系草酸盐中溶解度最低 14 氯化钷 III 漆钮 其表面的硫化锌塗層因钷放射出的b粒子而发光 与硝酸盐不同 钷的氧化物类似于相应的钐盐 而不是钕盐 以钷草酸盐为例 在初始合成态下的样品是一种白色或淡紫色的粉末 结构紊乱 12 这种粉末在加热到600 时會结晶为立方晶格 如果继续加热至800 或1750 時再进一步退火 会分别将其不可逆地转变为单斜晶系和六方晶系結構 最后两相可以通过调整退火时间和温度相互转换 15 化学式 对称性 空间群 No 皮尔逊符号 a pm b pm c pm Z 密度 g cm3a Pm DHCP 6 7 P63 mmc 194 hP4 365 365 1165 4 7 26b Pm 体心立方 7 Fm3m 225 cF4 410 410 410 4 6 99Pm2O3 立方晶 15 Ia3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6 77Pm2O3 单斜晶 15 C2 m 12 mS30 1422 365 891 6 7 40Pm2O3 六方晶 15 P3m1 164 hP5 380 2 380 2 595 4 1 7 53钷的鹵化物 16 化學式 顏色 配位數 對稱性 空間群 No 皮爾遜符號 m p C PmF3 粉紫色 11 六方晶 P3c1 165 hP24 1338PmCl3 薰衣草色 9 六方晶 P63 mc 176 hP8 655PmBr3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 624a PmI3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 a bb PmI3 紅色 6 菱面體 R3 148 hR24 695同位素 编辑 主条目 钷的同位素 钷沒有穩定的同位素 即所有同位素都具有放射性 钷是镧系元素及稀土元素中唯一一個沒有穩定同位素的元素 也是前83种元素中仅有的两個没有稳定或长寿命同位素的元素之一 另一個為鎝 更是前84种元素中 钋以前 最不稳定的元素 17 鉕和鎝是液滴模型的特例 而相邻元素 釹和釤 的稳定性也连带影响钷的稳定性 根據馬陶赫同量異位素規則 若兩個在週期表上相鄰的元素各有一個質量數彼此相等的同位素的話 其中一個必然會有放射性 18 19 而和鉕相鄰的釹與釤都有對b衰變穩定 且質量數位於照理來說鉕的同位素會對b衰變穩定的質量範圍內的同位素 因而造成鉕沒有穩定的同位素 壽命最長的钷同位素是钷 145 放射性强度为每克940居里 35TBq 主要衰變方式為电子俘获 半衰期为17 7年 17 20 因为它有84个中子 比82多2个中子 而82是其中一个对应于稳定中子构型的幻数 能够藉由放出一个a粒子 有2个中子 形成穩定的 具有82个中子的镨 141 因此它也是唯一具有实验观察到會發生a衰变的钷同位素 21 但發生的相对概率極低 为2 8 10 7 其a衰变的部分半衰期约为6 3 109年 其他几种钷同位素如144Pm 146Pm和147Pm也有足够能量进行a衰变 但目前尚未被观测到 钷主要的衰变产物是钕和钐的同位素 钷 146会衰变为这两种同位素 其余较轻的同位素一般通过正电子发射和电子俘获转变成钕 较重的同位素通过b衰变成钐 而其同核异构体可衰变为其他钷同位素 目前共发现了从126Pm到166Pm这41种钷的同位素 17 22 钷有18种同核异构体 质量数分别为133至142 144 148 149 152和154 有些质量数的核异构体不止一种 其中最稳定的是钷 148m 半衰期为43 1天 这比除钷 143 147以外的所有钷同位素基态的半衰期都长 事实上 钷 148m的半衰期甚至比其基态钷 148的半衰期更长 17 歷史 编辑搜索61號元素 编辑 1902年 捷克化學家博胡斯拉夫 布勞納 英语 Bohuslav Brauner 發現所有相鄰的鑭系元素中 釹和釤之間的差異是最大的 因此他推測有一個未知元素的性質介於兩者之間 23 這一預測在1914年由亨利 莫斯利所證實 因為他測出所有當時已知元素的原子序後 發現有幾個原子序並沒有相對應的元素 分別為43 61 72 75 85和87 其中61號的空缺便位於稀土元素釹和釤之間 24 之後許多科學家團隊開始在稀土礦物中尋找未知的61號元素 25 26 27 第一個發表其發現的是來自意大利佛羅倫斯的路易吉 羅拉 Luigi Rolla 和洛倫佐 費爾南德斯 Lorenzo Fernandes 他們使用分段結晶 英语 Fractional crystallization chemistry 法從巴西產的獨居石中分離出了少量稀土硝酸鹽濃縮物的混合物後 得到了一種主要含有釤的溶液 他們將該溶液發出的X射線光譜歸因於釤和61號元素 為了紀念他們所在的城市 他們將61號元素命名為 florentium 該研究結果發表於1926年 但他們聲稱實驗是在1924年完成的 28 29 30 31 32 33 同時 在1926年 來自伊利諾大學厄巴納 香檳分校的一組科學家史密斯 霍普金斯 Smith Hopkins 和萊昂 英特馬 Len Yntema 也發表了61號元素的發現 他們以伊利諾大學之名將其命名為 illinium 34 35 36 兩組科學家的發現報告都被證明是錯誤的 因為在其結果中與61號元素 對應 的譜線和didymium的譜線基本相同 被認為屬於61號元素的幾條譜線是由樣本中所含的少數雜質 鋇 鉻和鉑 發出的 25 1934年 約瑟夫 馬陶赫 英语 Josef Mattauch 提出了馬陶赫同量異位素規則 從該規則推導出的其中一個結果就是61號元素無法形成穩定的同位素 25 18 1938年 HB Law等人在俄亥俄州立大學開啟了一次核實驗 實驗於1941年時產生的一些核素被確認不是釹或釤的放射性同位素 他們將其命名為 cyclonium 但沒有化學證據證明其中含有61号元素 故这一发现没有得到普遍认可 37 38 鉕的發現與生產 编辑 1945年 雅各布 A 馬林斯基 英语 Jacob A Marinsky 勞倫斯 E 格蘭丹寧 英语 Lawrence E Glendenin 和查爾斯 D 科耶爾 英语 Charles D Coryell 在美國橡樹嶺國家實驗室 當時稱為柯林頓實驗室 將鈾燃料置於石墨反應爐中輻照後分離並分析其裂變產物時首次發現了61號元素 然而 由於當時學界在二戰期間忙於與軍事相關的研究 他們直到1947年才宣布61號元素的發現 39 40 他們原本考慮以柯林頓實驗室之名將該元素命名為 Clintonium 不過最終採用了發現者之一科耶爾的妻子葛蕾絲 瑪麗 科耶爾 Grace Mary Coryell 提出的名字 Prometheum 37 該名稱出自希臘神話中從奧林匹斯山盜火給人類使用的泰坦普羅米修斯 37 象徵 人類智慧的大膽和可能的被濫用 41 Prometheum 之後被改為和大多數元素名稱格式一致的 Promethium 鉕 37 雅各布 A 馬林斯基 英语 Jacob A Marinsky 勞倫斯 E 格蘭丹寧 英语 Lawrence E Glendenin 查爾斯 D 科耶爾 英语 Charles D Coryell 1963年 科學家首次利用氟化鉕 III 製造出鉕金屬 將氟化鉕暫時提純 去除其中的釤 釹和鋂等雜質後 將樣本置於一鉭製坩堝中 再將盛有氟化鉕的坩堝置於另一裝有相對於氟化鉕十倍量的鋰金屬的鉭製坩堝內 9 14 將實驗環境抽真空後 兩坩堝內的化學品混合 反應並置換出鉕金屬 PmF3 3 Li Pm 3 LiF反應生成的鉕樣品被用於測量鉕金屬的一些性質 例如其熔點等 14 1963年 橡樹嶺國家實驗室使用離子交換法從核反應爐的核燃料加工廢料中分離出了大約10克的鉕 直至今日 鉕的主要來源依然是作為鈾裂變生成的副產品之一被提取出 20 42 43 也可以透過用中子轟擊146Nd使之轉變為147Nd 接著147Nd發生b衰變 半衰期11天 生成147Pm 44 自然產生 编辑 地殼中大部分的鉕存在於瀝青鈾礦中 1934年 威拉德 利比發現純釹樣本中具有弱b活度 並將該現象歸因於部分釹同位素具有超過1012年的長半衰期 45 約20年後 有人依此聲稱每克天然釹中就有10 20克以下的鉕作為釹的衰變產物存在於其中 45 然而 該言論已被新的調查結果否定了 因為根據能量守恆定律 天然存在的七個釹同位素都無法藉由發生b衰變產生鉕的同位素 46 對原子質量的精細測量結果表明 150Nd 150Pm的質量差為負 87keV 使得150Nd絕對不可能發生單b衰變轉變為150Pm 47 1965年 奧拉維 埃拉梅查 英语 Olavi Erametsa 從磷灰石中提取的稀土精礦中分離出痕量的145Pm 推導出自然界中鉕的豐度上限為10 21 这些钷可能是由铀的自发裂变或是146Nd的宇宙射線散裂产生的 48 根據理論計算 兩種天然的銪同位素151Eu和153Eu都有可能發生a衰變形成鉕的同位素 49 但兩者長久以來在觀測上都是穩定的 不過義大利格蘭沙索國家實驗室 英语 Laboratori Nazionali del Gran Sasso 已在研究中測得了151Eu發生a衰變形成147Pm的半衰期 長達5 1018年 49 目前已證明同一時間地殼中約有12克的鉕是由151Eu衰變而成 49 至於目前仍未觀察到153Eu發生a衰變 理論計算顯示153Eu的半衰期非常長 因為其衰變能量低 其衰變過程可能永遠不會被觀測到 地殼中的鉕還可能是鈾 238的自發裂變產物 45 科學家已從瀝青鈾礦等礦石中發現痕跡量的鉕 平均濃度約為4 10 18 50 地殼中約有560克的鉕是鈾的裂變產物 49 在仙女座GY 普瑞茲畢爾斯基星和HD 965等恆星的光譜中也發現了鉕的存在 51 由於鉕同位素的半衰期都很短 所以它們通常是在恆星的表面附近形成的 20 生產 编辑不同钷同位素的生产方法各不相同 本節只给出钷 147的生产方法 因为它是唯一具有工业应用的钷同位素 钷 147是通过用热中子轰击铀 235来大量生产的 与其他同位素相比产量相对较高 占铀 235裂變產物總量的2 6 52 另一种生产钷 147的方法是通过用热中子轰击浓缩的钕 146或在粒子加速器中用高能质子轰击碳化铀 英语 Uranium carbide 靶来获得钕 147 接著钕 147快速衰变为钷 147 53 另一种方法是用快中子轰击铀 238 引起快速裂变 在多种反应产物中产生钷 147 54 在1960年代 橡树岭国家实验室 ORNL 每年可生产650克钷 55 是世界上唯一大批量合成钷的设施 56 然而美国在1980年代初已停止了公克级的钷之生产 不過隨著2010年代ORNL的高通量同位素反應爐 英语 High Flux Isotope Reactor 的重新啟用 ORNL將有機會恢复钷的生产 目前 俄罗斯是唯一较大规模生产钷 147的国家 57 應用 编辑大多数钷只用于科學研究 但钷 147除外 它可以在实验室外找到 37 它可以以氧化物或氯化物的形式 58 以毫克為單位获得 37 钷 147不发射g射线 其放出的b射線在物质中的穿透深度较小 且半衰期相对较长 58 有些信号灯使用的发光涂料 英语 Luminous paint 中含有一种荧光粉 能吸收钷 147发出的b射線而发光 20 37 钷 147不会像a放射源那样引起荧光粉的老化 58 因此能稳定发光几年的時間 最初 镭 226被用于此目的 但后来被放射性更低的钷 147和氚 氢 3 所取代 59 基于核安全的原因 钷可能再比氚更受青睐 60 在核电池中 通过在两块半导体板之间夹入一个小型钷放射源 能将钷 147发射的b粒子转化为电流 这種电池的使用寿命约为5年 第一块以钷作為電源的核电池组装于1964年 能从大约2立方英寸的体积 含外殼 中产生几毫瓦的功率 61 钷还可用于测量材料的厚度 以钷源通过样品的b粒子之辐射量估算 20 9 62 它今后還可能用于便携式X射線機 以及作为太空探测器和人造卫星的辅助热源或电源 63 尽管發射a粒子的钚 238已成为大多数太空探索相关用途的标准放射源 64 生物作用和注意事項 编辑如同其他鑭系元素 鉕在生物體中不發揮任何生物作用 但其化學毒性也不高 除了放射性之外 鉕對人體沒有任何危害 65 鉕 147在b衰變過程中發出的g射線會對生命體構成危害 66 如果做好足夠的安全措施 配戴手套 鞋套 安全眼鏡以及易於脫下的防護服 那麼微量的鉕 147是無害的 67 65 目前尚不清楚鉕和人體相互作用後會對哪些器官造成影響 目前推測可能會傷害人的骨組織 65 密封的鉕 147是無害的 但如果包裝破損 那麼洩漏的電離輻射便會對環境和人類造成危害 如果發現放射性污染 受污染的地方應用肥皂和水清洗 若在一地區發現鉕洩漏 該地區應認定為危險並立即疏散周遭人口 且必須聯繫警方等緊急服務單位 65 註釋 编辑 镧系收缩是指镧系元素中原子半径會随著原子序数增加而逐漸縮小的一般趋势參考文獻 编辑 Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互联网档案馆的存檔 存档日期2011 03 03 in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition CRC press Noyes W A Florentium or Illinium Nature 1927 120 14 doi 10 1038 120014c0 Rolla L Florentium or Illinium Nature 1927 119 637 doi 10 1038 119637a0 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 Greenwood N N Earnshaw A Chemistry of the Elements 2nd Oxford Butterworth Heinemann 1997 1233 ISBN 0 7506 3365 4 Cotton F Albert Wilkinson Geoffrey Advanced Inorganic Chemistry 5th New York Wiley Interscience 776 955 1988 ISBN 0 471 84997 9 6 0 6 1 Pallmer P G Chikalla T D The crystal structure of promethium Journal of the Less Common Metals 1971 24 3 233 doi 10 1016 0022 5088 71 90101 9 7 0 7 1 7 2 Gschneidner Jr K A Physical Properties of the rare earth metals Lide D R 编 CRC Handbook of Chemistry and Physics PDF 86th Boca Raton FL CRC Press 2005 2018 07 19 ISBN 0 8493 0486 5 原始内容 PDF 存档于2012 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