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ネオジムは、漸近巨星分枝（AGB）星におけるs過程（遅い中性子捕獲）と、超新星や中性子星の合体時のr過程（速い中性子捕獲）によって恒星内で合成されます。ネオジムはこれら2つの過程から均衡した寄与を示し、約40-50％がs過程、50-60％がr過程から由来し、これら2つの核合成メカニズムの相対的な寄与を研究するための優れたトレーサーとなっています。
ネオジムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約8.3×10⁻¹¹倍であり、宇宙においてセリウムの約15分の1の存在量ですが、プラセオジムの4-5倍の存在量です。このランタノイドの中では比較的高い存在度は、複数の安定同位体（合計7つ）が有利な核構成を持つことに起因します。同位体Nd-142は魔法数の中性子（82）を持ち、例外的な安定性を有しています。
中性ネオジム（Nd I）とイオン化ネオジム（Nd II）のスペクトル線は、特にG型、K型、M型の冷たい恒星のスペクトルで観測可能です。ネオジムは銀河の化学的濃縮の重要なトレーサーとして使用されます。金属に乏しい恒星におけるネオジム/鉄比は、銀河の化学進化と重元素の濃縮における異なるタイプの超新星の相対的な寄与を制約するのに役立ちます。
原始的な隕石中のネオジムの同位体比は、地球の値と比較して異常を示し、初期の太陽系における核合成源の多様性を証明しています。隕石から抽出された一部の太陽系前の粒子は、特定のネオジム同位体に極端な濃縮を示し、個々のAGB星や超新星からの物質を直接特定することを可能にします。これらの同位体異常は、太陽系の形成史を再構築し、原始惑星系円盤における混合過程を理解するための強力なツールです。
ネオジムの名前は、ギリシャ語のneos（新しい）とdidymos（双子）に由来し、「新しい双子」を意味します。この名前は発見者によって、ジジムから分離された新しい元素であることを示すために選ばれ、プラセオジム（「緑の双子」）を伴うものです。ネオジムは、その塩の特徴的なピンク紫色で区別され、プラセオジムの緑色と対照的です。
1885年、オーストリアの化学者カール・アウエル・フォン・ヴェルスバッハ（1858-1929）は、ジジムを2つの異なる元素、プラセオジムとネオジムに分離するという注目すべき業績を成し遂げました。この分離は、希土類元素の硝酸塩の繰り返し分別結晶（数百回の反復）によって達成され、並外れた忍耐力と実験技術を示しました。ヴェルスバッハは、連続する分画が異なる色の塩を生成することを観察し、プラセオジムが緑色の結晶を、ネオジムがピンク色の結晶を形成しました。
純粋なネオジム金属の単離は、20世紀初頭まで解決されなかった大きな課題でした。溶融塩の電気分解の初期の試みは、プラセオジムや他のランタノイドで汚染されたネオジムを生成しました。マンハッタン計画によって刺激された1940年代から1950年代のイオン交換技術の開発により、高純度の希土類元素の分離が経済的に実現可能になりました。現代の溶媒抽出法は、99.9％を超える純度のネオジムを得ることを可能にしています。
ネオジムは地殻中に平均約38 ppmの濃度で存在し、地球上で28番目に豊富な元素であり、コバルト、リチウム、鉛よりも豊富です。セリウムに次ぐ2番目に豊富な軽希土類元素です。ネオジムを含む主な鉱物は、バストネサイト（(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F）で、ネオジムは希土類含有量の約12-15％を占め、モナザイト（(Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄）で15-20％を占めています。
ネオジム酸化物の世界生産量は年間約25,000から30,000トンです。中国が世界生産量の約85-90％を占め、次いでアメリカ（カリフォルニアのマウンテンパス）、オーストラリア（マウントウェルド）、ミャンマーが続きます。この極端な地理的集中は、ネオジムを世界で最も戦略的に重要な物質の一つにしており、エネルギー転換と防衛技術に不可欠です。
ネオジム金属は、主に不活性雰囲気中で高温のネオジム酸化物（Nd₂O₃）のカルシウム還元、または溶融ネオジムフッ化物の電気分解によって生産されます。ネオジム金属の世界年間生産量は約7000から9000トンです。使用済み磁石（ハードディスク、電気モーター）からのネオジムのリサイクルは限られており、総供給量の約1-2％を占めますが、供給懸念と価格上昇により、リサイクルの取り組みが大幅に強化されています。
ネオジム（記号Nd、原子番号60）は、ランタノイド系列の4番目の元素であり、周期表のfブロックに属する希土類元素です。その原子は60個の陽子、通常82個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{142}\mathrm{Nd}\) の場合）、および60個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f⁴ 6s²です。
ネオジムは銀白色でわずかな金色の光沢を持つ輝く金属です。空気中で急速に酸化し、徐々に崩壊する酸化物層を形成し、新鮮な金属を継続的に露出させます。ネオジムは室温で六方最密充填（HCP）構造をとり、約863 °Cで体心立方構造（BCC）に変化します。ネオジムは比較的柔らかく展性があり、ナイフで切断でき、適度な延性を持ち薄いシートに圧延することができます。
ネオジムの融点は1021 °C（1294 K）、沸点は3074 °C（3347 K）です。その密度は7.01 g/cm³で、鉄よりわずかに高いです。ネオジムは電気と熱の良導体であり、電気伝導率は銅の約16分の1です。ネオジムは注目すべき磁気特性を示し、室温では常磁性であり、19 K以下では反強磁性になり、複雑な磁気構造を持ちます。
ネオジムは非常に反応性の高い金属であり、特に分割された形態ではそうです。湿った空気中で急速に酸化し、加熱または細かい削りくずの形態では容易に発火します。ネオジムは水と激しく反応し、ネオジム水酸化物と水素ガスを生成します。ネオジム金属は酸化を防ぐため、鉱物油中または不活性雰囲気（アルゴン）中で保存する必要があります。その反応性は軽ランタノイドに典型的であり、プラセオジムと同程度です。
ネオジムの融点：1294 K（1021 °C）。
ネオジムの沸点：3347 K（3074 °C）。
ネオジムは室温で常磁性であり、19 K以下で反強磁性になります。
| 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ネオジム-142 — \(\,^{142}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 82 | 141.907723 u | ≈ 27.152 % | 安定 | ネオジムの最も豊富な安定同位体。魔法数の中性子（82）。 |
| ネオジム-143 — \(\,^{143}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 83 | 142.909814 u | ≈ 12.174 % | 安定 | 安定同位体、r過程の重要な生成物。 |
| ネオジム-144 — \(\,^{144}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 84 | 143.910087 u | ≈ 23.798 % | ≈ 2.29×10¹⁵ 年 | 放射性（α）、極めて長い半減期、実質的に安定。2番目に豊富な同位体。 |
| ネオジム-145 — \(\,^{145}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 85 | 144.912574 u | ≈ 8.293 % | 安定 | ネオジムの小さな安定同位体。 |
| ネオジム-146 — \(\,^{146}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 86 | 145.913117 u | ≈ 17.189 % | 安定 | 天然ネオジムの約17％を占める安定同位体。 |
| ネオジム-148 — \(\,^{148}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 88 | 147.916893 u | ≈ 5.756 % | 安定 | 小さな安定同位体、r過程の生成物。 |
| ネオジム-150 — \(\,^{150}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 90 | 149.920891 u | ≈ 5.638 % | ≈ 6.7×10¹⁸ 年 | 放射性（二重β⁻）、極めて長い半減期、実質的に安定。 |
| ネオジム-147 — \(\,^{147}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 87 | 146.916100 u | 合成 | ≈ 10.98 日 | 放射性（β⁻）。核分裂生成物、医療および産業研究のトレーサーとして使用。 |
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。
ネオジムは60個の電子を6つの電子殻に分布させています。その電子配置は[Xe] 4f⁴ 6s²であり、ランタノイドに典型的で、4fサブシェルが徐々に満たされていきます。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(22) P(2)とも表記でき、完全には1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁴ 5s² 5p⁶ 6s²となります。
K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布し、完全な殻で貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布し、完全な殻で電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布し、安定で完全な構造を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f⁴ 5d⁰に22個の電子が分布し、4個の4f電子がネオジムの化学を特徴づけます。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含み、これらがネオジムの最外殻価電子です。
ネオジムは実効的に6個の価電子を持ちます：4個の4f⁴電子と2個の6s²電子。ほぼ排他的な酸化状態は+3であり、これはすべてのランタノイドに共通で、ネオジムが2個の6s電子と1個の4f電子を失い、[Xe] 4f³の配置を持つNd³⁺イオンを形成します。このNd³⁺イオンがネオジムの塩と溶液の特徴的なピンク紫色の原因です。
+3状態は実質的にすべてのネオジム化合物に現れます：酸化ネオジム(III)（Nd₂O₃）、塩化ネオジム(III)（NdCl₃）、硝酸ネオジム(III)（Nd(NO₃)₃）、およびすべての錯体塩。ネオジムの化学は本質的にNd³⁺イオンの化学であり、4f³配置に由来する独特の光学的および磁気的性質を持ちます。
酸化状態+2と+4は極端な条件下（固相ハロゲン化物、低温マトリックス）で合成されていますが、これらの化合物は非常に不安定で実用的な関連性はありません。隣接するセリウムとは異なり、ネオジムは+4状態で安定な化合物を形成しません。ネオジムの化学は、したがって、本質的に一価であり、+3状態が支配的です。
ネオジムは酸素と非常に反応性が高く、空気中で急速に酸化し、特徴的な青灰色のネオジム(III)酸化物（Nd₂O₃）層を形成します。この層は割れて剥離し、新鮮な金属を継続的に酸化に曝します。ネオジムの金属サンプルは、空気中で数日以内に完全に酸化することがあります。高温では、ネオジムは空気中で容易に発火し、明るい白色の炎で燃焼します：4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃。ネオジムの削りくずや細かい粉末は発火性であり、室温で自然発火します。
ネオジムは冷水とゆっくり反応しますが、熱水とは急速に反応し、ピンク紫色のネオジム(III)水酸化物と水素ガスを生成します：2Nd + 6H₂O → 2Nd(OH)₃ + 3H₂↑。この反応は温度とともに著しく加速し、沸騰水では激しくなる可能性があります。ネオジム(III)水酸化物は、水溶液から容易に淡いピンク色のゼリー状の固体として沈殿します。
ネオジムはすべてのハロゲンと激しく反応し、着色したハロゲン化物を形成します：2Nd + 3Cl₂ → 2NdCl₃（紫）、2Nd + 3Br₂ → 2NdBr₃（紫）、2Nd + 3I₂ → 2NdI₃（緑）。ネオジムは希酸でも容易に溶解し、水素を発生します：2Nd + 6HCl → 2NdCl₃ + 3H₂↑、これによりNd³⁺の特徴的なピンク色溶液が生成されます。
ネオジムは硫黄と反応して硫化ネオジム（Nd₂S₃）を、高温の窒素と反応して窒化物（NdN）を、炭素と反応して炭化物（NdC₂）を、水素と反応して水素化物（NdH₂またはNdH₃）を形成します。ネオジムはまた、多くの有機金属化合物と錯体を形成し、これらは有機合成において重合触媒として利用されています。
ネオジム(III)化合物の強いピンク紫色は、4f³配置内のf-f電子遷移に由来します。これらの遷移は、可視スペクトルの黄色と緑の領域に特徴的な吸収帯を生成し、赤と紫を優先的に透過します。ネオジムをドープしたガラスは注目すべき光学的挙動を示し、透過光では紫色に見えますが、反射光では青色に見え、この現象は二色性と呼ばれます。この独特の光学的性質は、ネオジムレーザーと保護メガネで利用されています。
ネオジムの主要な応用は、世界消費量の約75-85％を占めるNd₂Fe₁₄B（ネオジム-鉄-ホウ素）型永久磁石での使用です。これらの磁石は、ゼネラルモーターズと住友特殊金属によって1982年に独立して発見され、すべての商用永久磁石の中で最高の最大エネルギー積（BHmax）を持ち、400-460 kJ/m³に達し、これは従来のフェライト磁石の約10倍、サマリウム-コバルト磁石の約2倍です。
Nd-Fe-B磁石の典型的な組成は、ネオジムとプラセオジムの組み合わせで約32-35％（通常25-30％Nd、5-10％Pr）、熱安定性を向上させるためのジスプロシウムまたはテルビウム1-2％、ホウ素1％未満、残りは鉄です。主な磁気相Nd₂Fe₁₄Bは四方晶構造を持ち、キュリー温度は約312 °Cです。保磁力は1000-2000 kA/mに達し、磁石が厳しい条件下でも減磁に耐えることを可能にします。
Nd-Fe-B磁石は、エネルギー転換と現代技術に絶対的に不可欠です。電気自動車にはモーターに1-2 kgのネオジムが含まれ、洋上3 MW風力タービンには直接駆動発電機に200-600 kgのネオジムが含まれています。ハードディスクは、ナノメートル精度で読み取りヘッドを位置決めするために小さなNd-Fe-B磁石を使用しています。誘導武器システム、軍用ドローン、魚雷、潜水艦は、コンパクトなNd-Fe-B磁石モーターに批判的に依存しています。この戦略的重要性と中国による生産支配は、ネオジムを世界で最も地政学的に敏感な物質の一つにしています。
ネオジムは固体レーザー、特にイットリウム-アルミニウムガーネット（YAG）マトリックスで形成されるNd:YAGレーザーに最も重要なドーピングイオンです。1964年に発明されたNd:YAGレーザーは、主に近赤外線の1064 nmで発振し、注目すべき効率と優れたビーム品質を持ちます。典型的なネオジム濃度は1原子％（約1.4×10²⁰ Nd³⁺イオン/cm³）で、レーザー利得を最適化しながら、線幅広がりなどの有害な影響を最小限に抑えます。
Nd:YAGレーザーは、金属の切断と溶接、産業用マーキング、精密穴あけ、表面処理に使用されます。医療では、眼科手術（YAGカプセル切開術）、結石破砕（腎結石破砕）、糖尿病網膜症治療、脱毛、およびさまざまな皮膚科的手技に使用されます。Nd:YAGレーザーは周波数を2倍にすることで、532 nmの緑色光を生成し、これは緑色レーザーポインター、ライトショー、および一部の医療応用に使用されます。
YAG以外にも、ネオジムはイットリウムバナデート（YVO₄）、イットリウムリチウムフッ化物（YLF）、およびさまざまなリン酸塩またはケイ酸塩ガラスにドープされ、ファイバーレーザーや光増幅器を作成します。ネオジムドープガラスは、レーザー測距儀、大気ライダーシステム、および慣性閉じ込め核融合応用で使用され、巨大なNd:ガラスレーザーが重水素-三重水素ターゲットを圧縮するためにメガジュールのエネルギーを供給します。
ネオジムは、ガラスのドーパントとして使用され、注目すべき選択的吸収特性を持つ光学フィルターを作成します。ネオジムドープガラスは、ナトリウムの発光線に対応する黄色波長（約580-600 nm）を強く吸収し、青、赤、近赤外線を透過します。この選択的吸収は、ナトリウム照明やナトリウムに富む炎によるまぶしさを大幅に低減します。
ジジムガラス（ネオジム-プラセオジム混合物）は、ナトリウムに富む炎で作業するガラス職人、冶金技術者、溶接工の保護メガネに使用されます。宝飾および芸術ガラスでは、ネオジムドープガラスが魅力的な色効果を生み出します：透過白熱光では紫色に見えますが、蛍光灯や日光ではピンク赤色に見え、驚異的な二色性を生み出します。この特性は、高級サングラスや一部の自動車用ガラスでも利用され、コントラストを向上させ、目の疲れを軽減します。
ネオジムおよびその化合物は、他の軽ランタノイドと同様に低毒性です。ネオジムの可溶性化合物は、直接曝露時に皮膚、眼、呼吸器系の刺激を引き起こす可能性があります。ネオジム粉塵の吸入は一過性の肺刺激を引き起こす可能性がありますが、ネオジムに特異的な慢性肺疾患は報告されていません。経口摂取されたネオジム塩は消化管からほとんど吸収されず、主に糞便中に排泄されます。
動物実験では、吸収されたネオジムが主に肝臓、脾臓、骨格に蓄積することが示されています。高用量（100 mg/kg以上）では、ネオジムは中等度の肝毒性を引き起こし、カルシウム代謝を乱す可能性があります。しかし、人間の有意な曝露は、特殊な産業環境以外ではまれです。ネオジムは食物連鎖における実質的な生物濃縮を示さず、比較的速やかに代謝または排泄されます。利用可能な研究では、ネオジムに発がん性、変異原性、または催奇形性の影響は示されていません。
ネオジムに関連する環境問題は、主に希土類元素の採掘に関連しており、これは有毒で放射性の廃棄物を大量に生成します。希土類酸化物1トンの抽出には、通常2000トンの鉱山廃棄物、200 m³の酸性汚染水が生成され、モナザイト鉱石に自然に存在するトリウムやウランなどの放射性元素が放出される可能性があります。中国の希土類鉱山サイトは、土壌、地下水、河川を重金属や放射性物質で著しく汚染し、重大な環境汚染を引き起こしています。
ネオジムへの職業曝露は、主に希土類精製産業、磁石製造、光学研磨で発生します。ネオジム化合物の職業曝露基準は、ほとんどの管轄区域で具体的に設定されていませんが、可溶性希土類化合物に対する一般的な推奨事項では、吸入可能な粉塵の曝露限界を5-10 mg/m³に設定しています。希土類鉱山近くの土壌中のネオジム濃度は、自然背景レベルの10-20倍に相当する数百ppmに達する可能性があります。
使用済み磁石からのネオジムのリサイクルは技術的には可能ですが、解体、分離、精製の高コストにより経済的に困難です。Nd-Fe-B磁石はしばしば複雑な組み立て（モーター、ハードディスク）に強く統合されており、酸化または汚染されている可能性があります。現在のリサイクル率は非常に低く（1-2％）、いくつかの革新的なプロセスが開発中です：選択的化学溶解、直接溶融による磁石の再製造、酸化物の溶媒抽出、水冶金処理。ネオジムのリサイクル率を大幅に向上させることは、エネルギー転換の長期的な持続可能性と、中国主導の一次供給への依存を減らすために極めて重要です。
核種の半減期：放射能と年代測定への影響 
元素周期表：歴史と構成 
なぜ生命は酸素にこれほど依存しているのか？ 
水素 (Z=1)：宇宙創成の要 
ヘリウム (Z=2)：ビッグバンの名残と恒星の役割 
リチウム (Z=3)：現代バッテリーの鍵となる元素 
ベリリウム (Z=4)：希少で優れた特性を持つ金属 
ホウ素 (Z=5)：材料科学の鍵となる元素 
炭素
(Z=6)：生命の元素 
窒素 (Z=7)：大気中に豊富に存在する元素 
酸素 (Z=8)：生命の中心となる元素 
フッ素 (Z=9)：反応性の高い必須元素 
ネオン (Z=10)：希ガスの貴族元素 
ナトリウム (Z=11)：反応性の高い多目的元素 
マグネシウム (Z=12)：生物学と産業に不可欠な元素 
アルミニウム (Z=13)：軽量で多目的な元素 
ケイ素 (Z=14)：地球と現代技術の鍵となる元素 
リン (Z=15)：生命に不可欠な基本元素 
硫黄 (Z=16)：生命と産業に不可欠な元素 
塩素 (Z=17)：化学産業と消毒の鍵となる元素 
アルゴン (Z=18)：大気中の貴族元素 
