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エルビウムは、主にAGB星（漸近巨星分枝星）の低質量から中質量星におけるs過程（遅い中性子捕獲）によって合成され、超新星などの爆発的なイベントにおけるr過程（速い中性子捕獲）も寄与しています。核合成モデルによると、太陽系のエルビウムの約70-80%がs過程由来、20-30%がr過程由来と推定されています。陽子数が偶数（68）のランタノイドとして、ホルミウム-67やツリウム-69などの奇数陽子数の隣接元素よりも豊富に存在します（オッドー・ハーキンズの法則）。
エルビウムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約2.5×10⁻¹²倍で、ホルミウムの約5倍、ジスプロシウムと同程度の存在量です。重希土類元素の中では、偶数の原子番号と特定の同位体の安定性により、比較的豊富に存在します。この相対的な豊富さが、大規模な技術的利用を可能にしています。
エルビウムは、重希土類元素の中でもs過程の優れたトレーサーと考えられています。エルビウム/ユウロピウム（Er/Eu）比は、AGB星による銀河の化学的進化の研究に特に有用です。s過程元素に富んだ星は高いEr/Eu比を示し、r過程に支配された金属欠乏星は低い比を示します。
エルビウムは、特にEr IIイオンの比較的アクセスしやすいスペクトル線により、多くの星で検出されています。これらの検出により、天の川銀河のさまざまな星集団におけるエルビウムの存在量がマッピングされ、銀河核合成モデルに重要な制約を与えています。極めて金属欠乏の星におけるエルビウムの研究は、宇宙初期の重元素生成の理解に役立っています。
エルビウムは、ストックホルム近郊のレサロー島にあるスウェーデンの村イッテルビーにちなんで名付けられました。この村は、複数の希土類元素を含む鉱物を産出する採石場で知られています。イッテルビーは、イットリウム（Y）、テルビウム（Tb）、エルビウム（Er）、イッテルビウム（Yb）の4つの元素の名前の由来となっています。「エルビウム」という名前は、この地で発見された他の元素との類推によって付けられました。
エルビウムは、1843年にスウェーデンの化学者カール・グスタフ・モサンダー（1797-1858）によって発見されました。モサンダーは、ストックホルムのカロリンスカ研究所でイットリア（酸化イットリウム）鉱物を研究していました。数多くの分別結晶化の後、彼はこの酸化物を3つの異なる化合物に分離することに成功し、それぞれをイットリア（白）、エルビア（ピンク）、テルビア（黄）と名付けました。彼が分離した「エルビア」は主に酸化エルビウムを含んでいましたが、元素の完全な精製には数十年を要しました。
テルビウムと同様に、「エルビア」と「テルビア」の名前について数年間混乱がありました。一部の化学者は命名を入れ替え、「エルビア」を現在テルビアと呼ばれるもの（酸化テルビウム）に、「テルビア」をエルビアに割り当てました。19世紀末になってようやく、モサンダーの原発見に基づいて命名法が確定しました。比較的純粋なエルビウム金属の単離は、1905年にフランスの化学者ジョルジュ・ウルバンとチャールズ・ジェームズによって初めて達成されました。
エルビウムは、地殻中に平均約3.5 ppm（百万分率）の濃度で存在し、ホルミウムよりは豊富ですが、ジスプロシウムよりは少ないです。重希土類元素の中では比較的豊富です。エルビウムを含む主な鉱物は、バストネサイト（(Ce,La,Nd,Er)CO₃F）とモナザイト（(Ce,La,Nd,Er,Th)PO₄）で、通常、希土類元素全体の0.1〜0.5%を占め、キセノタイム（YPO₄）ではさらに濃縮されることがあります（最大4〜5%）。
酸化エルビウム（Er₂O₃）の世界生産量は年間約50〜100トンで、軽希土類元素に比べると少ないですが、重要な量です。通信分野での重要性から、エルビウムは戦略的希土類元素とされ、酸化物1キログラムあたり300〜700ドルの価格で取引されています。中国が世界生産量の85%以上を占め、次いでアメリカ、オーストラリア、マレーシアが続きます。
エルビウム金属は、主にフッ化エルビウム（ErF₃）を金属カルシウムでアルゴン不活性雰囲気中で還元することによって生産されます。世界のエルビウム金属の年間生産量は約10〜20トンです。光ファイバーやその他の電子廃棄物からのエルビウムのリサイクルは技術的には可能ですが、低濃度のため経済的に困難です。しかし、この分野の研究は活発に行われています。
エルビウム（記号Er、原子番号68）は、周期表のfブロックに属するランタノイド系列の12番目の元素です。その原子は、68個の陽子、98個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{166}\mathrm{Er}\)）、68個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f¹² 6s²です。この配置により、エルビウムは優れた光学的性質を示します。
エルビウムは、銀色で展性があり、比較的柔らかい金属です。室温では六方最密充填（HC）の結晶構造を持ちます。室温では常磁性ですが、85 K（-188 °C）以下では反強磁性となり、52 K（-221 °C）以下ではらせん磁気構造を示します。非常に低温（20 K以下）では強磁性になります。これらの複雑な磁気的性質は固体物理学で研究されていますが、技術的応用では光学的性質がより重要です。
エルビウムの融点は1529 °C（1802 K）、沸点は2868 °C（3141 K）です。ほとんどのランタノイドと同様に、高い融点と沸点を持ちます。エルビウムは1495 °Cで相転移を起こし、結晶構造が六方最密充填（HC）から体心立方（BCC）に変わります。電気伝導率は銅の約25分の1と低いです。
エルビウムは、室温の乾燥空気中では比較的安定ですが、ゆっくりと酸化してピンク色のEr₂O₃を形成します。加熱すると酸化が速くなり、燃焼して酸化物を生成します：4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃。エルビウムは冷水とゆっくり反応し、温水とより速く反応して水酸化エルビウム(III) Er(OH)₃と水素を生成します。希酸に容易に溶けます。金属は鉱物油中または不活性雰囲気中で保存する必要があります。
エルビウムの融点：1802 K（1529 °C）。
エルビウムの沸点：3141 K（2868 °C）。
ネール温度（反強磁性転移）：85 K（-188 °C）。
らせん秩序への転移温度：52 K（-221 °C）。
室温での結晶構造：六方最密充填（HC）。
| 同位体 / 記号 | 陽子 (Z) | 中性子 (N) | 原子質量 (u) | 天然存在比 | 半減期 / 安定性 | 崩壊 / 備考 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| エルビウム-162 — \(\,^{162}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 94 | 161.928778 u | ≈ 0.14 % | 安定 | 最も軽い安定同位体で、自然界では非常に稀。 |
| エルビウム-164 — \(\,^{164}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 96 | 163.929200 u | ≈ 1.61 % | 安定 | 少量存在する安定同位体。 |
| エルビウム-166 — \(\,^{166}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 98 | 165.930293 u | ≈ 33.61 % | 安定 | 自然界で最も豊富な安定同位体（全体の約3分の1）。 |
| エルビウム-167 — \(\,^{167}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 99 | 166.932048 u | ≈ 22.93 % | 安定 | 主要な安定同位体で、2番目に豊富。 |
| エルビウム-168 — \(\,^{168}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 100 | 167.932370 u | ≈ 26.78 % | 安定 | 重要な安定同位体で、エルビウム-167と同様の存在量。 |
| エルビウム-170 — \(\,^{170}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 102 | 169.935464 u | ≈ 14.93 % | 安定 | 最も重い安定同位体で、天然混合物の約15%を占める。 |
注記：
電子殻： 電子が原子核の周りにどのように配置されているか。
エルビウムは68個の電子を6つの電子殻に持ちます。その電子配置[Xe] 4f¹² 6s²は、4fサブシェルに12個の電子を持ちます。この配置は、K(2) L(8) M(18) N(18) O(30) P(2)または完全な形式で1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹² 5s² 5p⁶ 6s²とも表されます。
K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含み、この内殻は完全で非常に安定。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子を含み、この殻は完全で貴ガス（ネオン）の配置を形成。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子を含み、この完全な殻は電子遮蔽に寄与。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子を含み、安定した構造を形成。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f¹² 5d⁰に30個の電子を含み、12個の4f電子がエルビウムに優れた光学的性質を与える。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含み、これらがエルビウムの最外殻価電子。
エルビウムは実効的に14個の価電子を持ちます：12個の4f¹²電子と2個の6s²電子。エルビウムは安定な化合物において+3の酸化状態のみを示します。この状態では、エルビウムは2個の6s電子と1個の4f電子を失い、Er³⁺イオンを形成し、その電子配置は[Xe] 4f¹¹となります。このイオンは4fサブシェルに11個の電子を持ち、主要な光学的応用の基礎となる電子遷移を示します。
ユウロピウムやイッテルビウムなどの一部のランタノイドとは異なり、エルビウムは通常の条件下で安定な+2または+4の酸化状態を形成しません。極端な条件下でエルビウム(II)化合物が合成された例はありますが、非常に不安定です。+3状態が化学的および技術的に唯一重要です。
エルビウムの化学は+3状態に支配されています。Er³⁺イオンは配位数8の場合、イオン半径103.0 pmを持ち、水溶液中では通常淡いピンク色の錯体を形成します。これはエルビウム塩の特徴的な色です。特に近赤外領域の遷移は、光ファイバーやレーザーで利用されています。
エルビウム金属は、室温の乾燥空気中では比較的安定で、Er₂O₃の薄い保護酸化層を形成します。200 °C以上の高温では急速に酸化し、燃焼して酸化物を生成します：4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃。酸化エルビウム(III)は、特徴的なピンク色の固体で、C型希土類（C型セスキオキシド）の立方構造を持ちます。微粉末状のエルビウムは発火性があり、空気中で自然発火する可能性があります。
エルビウムは冷水とゆっくり反応し、温水とより速く反応して水酸化エルビウム(III) Er(OH)₃と水素ガスを生成します：2Er + 6H₂O → 2Er(OH)₃ + 3H₂↑。水酸化物は、溶解度の低い淡いピンク色のゲル状固体として沈殿します。他のランタノイドと同様に、反応は激しくありませんが、長時間観察できます。
エルビウムはすべてのハロゲンと反応し、対応するハロゲン化物を形成します：2Er + 3F₂ → 2ErF₃（ピンク色のフッ化物）；2Er + 3Cl₂ → 2ErCl₃（紫色の塩化物）。エルビウムは希酸（塩酸、硫酸、硝酸）に容易に溶け、水素を発生させEr³⁺塩を形成します：2Er + 6HCl → 2ErCl₃ + 3H₂↑。
エルビウムは中程度の温度（300-400 °C）で水素と反応してErH₂を形成し、さらに高温でErH₃を形成します。硫黄と反応してEr₂S₃を形成し、高温（>1000 °C）で窒素と反応してErNを形成し、炭素と反応してErC₂を形成します。エルビウムは有機配位子との錯体も形成しますが、この化学は光学的応用ほど発達していません。
エルビウムの最も重要な性質は、その優れた光学的挙動です。Er³⁺イオンは、近赤外線、特に1.55マイクロメートル（1550 nm）の波長で光を放出する電子遷移を持ちます。この波長は、シリカ光ファイバーの最小伝送損失窓（約0.2 dB/km）に対応し、エルビウムを世界的な通信ネットワークにおける光信号増幅の理想的な元素にしています。
1980年代に発明されたエルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）は、世界的な通信を革命的に変えました。EDFA以前は、光ファイバー内の光信号は50-100 kmごとに電子的に再生する必要がありました（検出、電気信号への変換、電子的増幅、再び光信号への変換）。EDFAは、電子変換なしに光信号を直接増幅できるため、コスト、複雑さを大幅に削減し、ネットワーク容量を増加させました。
EDFAでは、シリカ光ファイバーがEr³⁺イオン（通常数百ppm）でドープされています。このファイバーは、980 nmまたは1480 nmのレーザーダイオードによって「ポンプ」されます。Er³⁺イオンはこのポンプ光を吸収し、高いエネルギー準位に励起されます。1550 nmの通信用光信号がファイバーを通過すると、励起されたイオンを刺激して同じ波長の追加の光子を放出させ、信号を増幅します。この過程は誘導放出であり、レーザーと同じ原理です。
- 波長：ファイバーの最小伝送損失窓に対応する1550 nm付近で最適な増幅。
- 帯域幅：約30-40 nmで、多くのチャンネル（WDM：波長分割多重）を同時に増幅可能。
- 利得：通常20-30 dB（100〜1000倍の増幅）。
- ノイズ指数：低い（4-5 dB）で、長距離伝送に不可欠。
- 出力：パワー増幅器では数ワットまで。
- ドープファイバーの長さ：通常10-30メートル。
EDFAは、大洋横断光ファイバーケーブルネットワーク、長距離陸上ネットワークの開発を可能にし、波長分割多重（WDM）によりネットワーク容量を飛躍的に向上させました。エルビウムなしでは、世界的な高速インターネット、国際光ファイバー通信、多くの現代的クラウドサービスは不可能か、非常に高価になっていたでしょう。典型的なEDFAには、数ミリグラムから数グラムのエルビウムが含まれています。
Er:YAGレーザーは2.94 µmの波長で発振し、これは水によって非常に強く吸収されます（1.06 µmのNd:YAGレーザーの約10,000倍）。この性質により、水分を含む組織の精密なアブレーションが必要な医療および歯科応用に理想的です。
Er:ガラスレーザーは通常1.54 µmまたは1.55 µm付近で発振します。これらは以下に使用されます：
これらのレーザーは、エルビウムでドープされた光ファイバーを増幅媒体として使用します。コンパクトで効率的であり、優れたビーム品質を提供します。応用：
エルビウムは、熱中性子吸収断面積が中程度（最も効果的なEr-167同位体で約166バーン）です。この性質により、エルビウムは原子炉の制御棒に使用されますが、ホウ素、カドミウム、ガドリニウムほど一般的ではありません。エルビウムは、実験的な核燃料で反応度制御のための消費可能な毒物として使用されることもあります。
酸化エルビウム（Er₂O₃）は、照射下での安定性と良好な熱伝導性から、原子炉部品の保護コーティングとして研究されています。これらのコーティングは、核燃料の安全性と寿命を向上させる可能性があります。
Er³⁺イオンは、ガラスおよびセラミックスに特徴的なピンク色を与えます。この性質は以下に利用されています：
一部のエルビウム添加材料（しばしばイッテルビウムと組み合わせ）は、2つの低エネルギー赤外線光子を1つの高エネルギー可視光子に変換できます（アップコンバージョン現象）。応用：
エルビウムを太陽電池に使用して効率を向上させる研究が進められています。アイデアは、高エネルギー光子（UV、青）を、シリコンの最適吸収範囲内の複数の低エネルギー光子に変換する量子カットプロセスを介して行うものです。
エルビウムおよびその化合物は、他のランタノイドと同様に低い化学的毒性を示します。可溶性塩は皮膚、眼、呼吸器の刺激を引き起こす可能性があります。重篤な急性毒性や発がん性は報告されていません。エルビウム塩の動物における半数致死量（LD50）は、他のランタノイドと同様に通常500 mg/kg以上です。エルビウムには既知の生物学的役割はありません。
他のランタノイドと同様に、エルビウムは暴露時に肝臓および骨に優先的に蓄積し、非常にゆっくりと排泄されます。一般人口の暴露は極めて低く、主に関連産業の労働者に限られています。
環境影響は、希土類元素の採掘全般に関連しています。1キログラムのエルビウムの抽出には、数トンの鉱石の処理が必要で、廃棄物と大きな環境影響をもたらします。しかし、世界で使用されるエルビウムの総量は、他の金属に比べて比較的少ない（年間数十トン）です。
使用済み光ファイバーからのエルビウムのリサイクルは技術的には可能ですが、ファイバー中のエルビウム濃度が低い（通常数百ppm）ことと、エルビウムをシリカから分離することの難しさから、経済的に困難です。しかし、光ファイバー廃棄物の量の増加とリサイクル技術の進歩により、将来的により魅力的な選択肢となる可能性があります。
エルビウムは、その重要性（通信インフラ）と生産の地理的集中（中国）から、複数の国および地域（アメリカ、EU）によって重要な原材料と分類されています。供給源の多様化、使用効率の向上（EDFAあたりのエルビウム量の削減）、代替技術の開発に向けた取り組みが進められています。
職業暴露は、希土類元素生産工場、光ファイバー製造、レーザークリスタル製造、通信施設で発生します。金属粉塵に対する標準的な予防措置が適用されます。医療応用（レーザー）では、クラス4レーザーに対する標準的な予防措置が適用されます。
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