【每日科普】钆：世界上最冷的金属

钆，元素周期表第64号元素。

 

元素周期表里的镧系元素是一个大家庭，彼此间的化学性质极为相似，很难分离。1789年，芬兰化学家约翰·加多林得到了一种金属氧化物，通过分析发现了第一种稀土氧化物——氧化钇，开启了稀土元素的发现史。1880年，瑞典科学家德马里亚克发现了两种新元素，其中一种后来证实是钐元素，另一种经法国化学家德布瓦博德兰提纯后，正式确定为一种新元素，这就是钆元素。

 

钆元素源自硅铍钆矿石，价格低廉，质地柔软，延展性良好，在室温下有磁性，是一种比较活泼的稀土元素，在干燥的空气中比较稳定，潮湿中会失去光泽，形成松散易脱落的片状白色氧化物，在空气中燃烧能生成白色氧化物。钆与水缓慢反应，能溶于酸形成无色的盐，其化学性质与其他镧系元素非常相似，但光学和磁学性质略有不同。室温下钆是顺磁性，冷却后呈现铁磁性，其特性可以用来改善永磁体。

 

利用钆元素的顺磁性，制作出的钆剂成为了一种很好的核磁共振造影剂。核磁共振成像技术自研发起，已经有6项诺贝尔奖与之有关。核磁共振主要由原子核自旋运动引起，不同的原子核自旋运动情况不同，依据在不同结构环境中不同的衰减所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体的原子核的位置和种类，绘制成物体内部的结构图像。在磁场的作用下，核磁共振成像技术信号来自某些原子核的自旋，比如水中氢原子核。但是这些能自旋的原子核，在磁共振的射频场中会被加热，有点像微波炉，通常这种发热会削弱核磁共振成像技术信号。而钆离子不仅拥有非常强大的自旋磁矩，有助于原子核的自旋，提高病变组织被识别概率，而且还能神奇地保持冷却。不过，钆元素有一定毒性，医学上用螯合配体把钆离子包裹起来，以防止其进入人体组织。

 

钆元素在室温下有很强的磁热效应，其温度会随磁场强度的变化而变化，这让人们想到了一项有趣的应用——磁制冷。在制冷过程中，由于磁偶极子的取向，磁性材料在一定的外部磁场下会变热。当磁场移除并绝热时，材料温度降低。这种磁冷却可以减少氟利昂等冰箱制冷剂的使用，降温迅速，目前世界上正努力开发钆元素及其合金在这方面的应用，生产出一种小型高效的磁制冷器。在使用钆元素的情况下能实现超低温，所以钆也被称为“世界上最冷的金属”。

 

 

钆元素的同位素Gd-155和Gd-157，在所有天然同位素中对热中子吸收截面最大，能用少量的钆元素控制核反应堆的正常运作，于是诞生了钆制轻水堆和钆控制棒，在降低成本的同时提高了核反应堆的安全性。

 

钆元素同样具有很出色的光学作用，能制作光隔离器，类似于电路中的二极管，也被称为发光二极管。这种发光二极管不仅能允许光单向通过，而且能阻隔光纤中的回波反射，确保光信号传输的纯净性并提高光波的传输效率。钆镓榴石就是制作光隔离器的最佳基片材料之一。

 

（内容来源：学习强国）