最終更新：2026年1月3日

テルビウム (65)：緑色発光と磁気の原子

天体物理学と宇宙論におけるテルビウムの役割

恒星におけるテルビウムの合成

テルビウムは、主に低質量から中質量のAGB星（漸近巨星分枝星）で発生するs過程（遅い中性子捕獲）によって恒星内で合成されます。ユウロピウムとは異なり、r過程によって支配されるのではなく、テルビウムはその太陽存在量の約70-80%をs過程が占めると推定されています。残りは、超新星などの爆発的なイベント中のr過程（速い中性子捕獲）によって生成されます。この混合されたがs過程に支配された起源により、「中間希土類」に分類されます。

宇宙存在量と分類

テルビウムの宇宙存在量は、原子数で水素の約1.7×10⁻¹²倍であり、ガドリニウムの約1.4倍の存在量ですが、セリウムの5〜6分の1の存在量です。この相対的な希少性は、重希土類の存在量の「谷」における位置と、その核が奇数の陽子（65）を持つことによって説明されます。これは、オッド・ハーキンズの法則に従い、偶数の原子番号を持つ元素が奇数の原子番号を持つ隣接元素よりも一般的に豊富であるため、存在量が減少する傾向にあります。

銀河進化におけるs過程のトレーサー

テルビウムは、天体物理学におけるs過程の重要なトレーサーです。異なる世代の星におけるテルビウムと他のランタノイドの相対的な存在量は、AGB星による銀河の化学的豊富化への寄与を定量化することを可能にします。s過程元素（例えばバリウム星）に富んだ星は、しばしば高いTb/Eu比を示し、これはr過程ではなくs過程によって支配された核合成の特徴です。金属量の少ない星におけるテルビウムの研究は、宇宙における最初のAGB星の出現を年代測定するのに役立ちます。

検出の困難さと観測限界

テルビウムの恒星大気中での検出は、他の元素のスペクトル線との弱さと重なりのため、特に困難です。一価イオン化テルビウム（Tb II）の線が最もアクセスしやすいですが、高解像度かつ高い信号対雑音比のスペクトルを必要とします。これらの困難にもかかわらず、テルビウムは銀河ハローの一部の星やs過程元素に富んだ星で検出されています。これらの検出は、恒星核合成のモデルや、重希土類の生成におけるs過程とr過程の相対的な効率に関する貴重な制約を提供します。

テルビウムの発見の歴史

語源と名前の由来

テルビウムは、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。この小さな村には、複数の希土類を含む鉱物を提供した長石と石英の採石場があります。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つの元素に名前を与えたことで有名です。テルビウムの名前は、この地域の鉱物から発見された他の元素との類推によって形成されました。

カール・グスタフ・モサンダーによる発見

テルビウムは、1843年にストックホルムのカロリンスカ研究所で働いていた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。モサンダーはイッテルビー産のイットリア（酸化イットリウム）鉱物を研究していました。複数の分別結晶化の後、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、それらをイットリア（白）、エルビア（ピンク）、テルビア（黄）と名付けました。彼が単離した「テルビア」は主に酸化テルビウムを含んでいましたが、元素の完全な精製にはさらに数十年を要しました。

歴史的な混乱と明確化

数年間、「テルビア」と「エルビア」の名前について混乱がありました。一部の化学者は名称を入れ替え、「テルビア」を現在エルビア（酸化エルビウム）と呼ぶものに、「エルビア」をテルビアと呼ぶものに割り当てました。19世紀末までに、モサンダーの最初の発見に従って命名法が最終的に確定されました。比較的純粋な金属テルビウムの単離は、1905年にフランスの化学者ジョルジュ・ウルバンによって初めて達成され、彼は溶融テルビウム塩の電気分解を使用しました。

地球上の存在と生産

テルビウムは地殻中に平均約1.2 ppm（百万分率）の濃度で存在し、ルテチウムやツリウムと同様に最も希少なランタノイドの一つです。ガドリニウムの約5分の1の存在量です。テルビウムを含む主な鉱石は、バストネサイト（(Ce,La,Nd,Tb)CO₃F）とモナザイト（(Ce,La,Nd,Tb,Th)PO₄）であり、通常、希土類の総含有量の0.02〜0.1%を占め、ゼノタイム（YPO₄）ではより高濃度で存在することがあります。

テルビウム酸化物（Tb₄O₇）の世界生産量は年間約10〜15トンであり、質量ベースで最も生産量の少ない希土類酸化物の一つです。その希少性と高付加価値の応用のため、テルビウムは最も高価な希土類の一つであり、酸化物の典型的な価格は1キログラムあたり1,000〜2,000ドル（需要ピーク時にはさらに高くなる）です。中国が世界生産量の90%以上を占めています。

金属テルビウムは主に、不活性アルゴン雰囲気中でフッ化テルビウム（TbF₃）を金属カルシウムで還元することによって生産されます。世界の金属テルビウムの年間生産量は約5〜10トンです。使用済み蛍光灯や磁石からのテルビウムのリサイクルは技術的に可能であり、その高価格のため経済的に魅力的ですが、大規模なリサイクルインフラはまだ限られています。

テルビウムの構造と基本的な性質

分類と原子構造

テルビウム（記号Tb、原子番号65）は、周期表のfブロックに属する希土類元素のランタノイド系列の9番目の元素です。その原子は65個の陽子、94個の中性子（唯一の安定同位体 \(\,^{159}\mathrm{Tb}\) の場合）、および電子配置[Xe] 4f⁹ 6s²の65個の電子を持ちます。この配置により、テルビウムは特徴的な磁気的および発光的性質を持ちます。

物理的および磁気的性質

テルビウムは灰色銀色の金属で、展性と延性に富み、ナイフで切断できるほど柔らかいです。室温では六方最密充填（HC）の結晶構造を持ちます。テルビウムは強い常磁性を示し、230 K（-43 °C）以下で反強磁性、220 K（-53 °C）以下で強磁性になります。そのキュリー温度は222 K（-51 °C）です。これらの温度は室温よりもはるかに低いですが、テルビウムは、室温で優れた磁気的性質を示す磁歪合金Terfenol-D（Tb-Dy-Fe）において重要です。

変態点と導電性

テルビウムは1356 °C（1629 K）で融解し、3230 °C（3503 K）で沸騰します。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。テルビウムは1289 °Cで同素変態を起こし、結晶構造が六方最密充填（HC）から体心立方（BCC）に変化します。その電気伝導性は低く、銅の約30分の1です。テルビウムは低温で巨大磁気抵抗も示します。

化学的反応性

テルビウムは室温の乾燥空気中で比較的安定ですが、ゆっくりと酸化してTb₄O₇（Tb₂O₃とTbO₂の混合物）を形成します。加熱すると酸化が加速します。テ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テルビウム(III) Tb(OH)₃を形成し、水素を放出します。希酸に容易に溶けます。金属テルビウムは、徐々に酸化するのを防ぐため、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。

熱的および磁気的特性（概要）

テルビウムの融点：1629 K（1356 °C）。
テルビウムの沸点：3503 K（3230 °C）。
テルビウムのキュリー温度：222 K（-51 °C） - 以下で強磁性。
ネル温度（反強磁性転移）：230 K（-43 °C）。
室温での結晶構造：六方最密充填（HC）。

テルビウムの同位体表

テルビウムの同位体（基本的な物理的性質）
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
テルビウム-159 — \(\,^{159}\mathrm{Tb}\,\)	65	94	158.925346 u	≈ 100 %	安定	テルビウムの唯一の天然安定同位体。94個の中性子を持ち、わずかに核分裂性です。
テルビウム-157 — \(\,^{157}\mathrm{Tb}\,\)	65	92	156.924023 u	合成	≈ 71年	放射性（EC）。研究および医療用同位体の生産源として使用されます。
テルビウム-158 — \(\,^{158}\mathrm{Tb}\,\)	65	93	157.925413 u	合成	≈ 180年	放射性（EC, β⁺）。研究および中性子活性化分析で使用されるガンマ線放出体です。
テルビウム-160 — \(\,^{160}\mathrm{Tb}\,\)	65	95	159.927167 u	合成	≈ 72.3日	放射性（β⁻）。原子炉で生産され、研究および核医学で使用されます。
テルビウム-161 — \(\,^{161}\mathrm{Tb}\,\)	65	96	160.929369 u	合成	≈ 6.91日	放射性（β⁻）。低エネルギーベータ放出体で、標的治療（放射線療法）への応用が研究されています。

テルビウムの電子配置と電子殻

注：
電子殻：原子核の周りの電子の配置。

テルビウムは65個の電子を6つの電子殻に持ちます。その電子配置[Xe] 4f⁹ 6s²は、4fサブシェルに9個の電子を持ちます。この配置は、K(2) L(8) M(18) N(18) O(27) P(2)または完全な形式で1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁹ 5s² 5p⁶ 6s²とも書くことができます。

電子殻の詳細な構造

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個の電子を含みます。この殻は完全で、貴ガス配置（ネオン）を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子を含みます。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子を含みます。この殻は安定した構造を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f⁹ 5d⁰に27個の電子を含みます。9個の4f電子が、テルビウムの特徴的な磁気的および発光的性質を与えます。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含みます。これらの電子はテルビウムの外側の価電子です。

価電子と酸化状態

テルビウムは実効的に11個の価電子を持ちます：9個の4f⁹電子と2個の6s²電子。テルビウムは主に+3の酸化状態を示し、これは最も安定で一般的です。この状態では、テルビウムは2個の6s電子と1個の4f電子を失い、電子配置[Xe] 4f⁸のTb³⁺イオンを形成します。このイオンは4fサブシェルに8個の電子を持ち、特徴的な強い緑色発光を示します。

テルビウムは+4の酸化状態の化合物も形成できますが、これらははるかに安定性が低く、酸化条件を必要とします。Tb⁴⁺イオンは[Xe] 4f⁷（半分満たされた）の配置を持ち、Gd³⁺イオンと同様の安定性を持ちます。テルビウム(IV)化合物（例えばTbO₂（酸化テルビウム））は存在しますが、強力な酸化剤であり、容易に分解して酸素を放出します。いくつかの希少なテルビウム(II)化合物も極端な条件下で合成されていますが、非常に不安定です。

テルビウムの化学は+3状態によって支配されています。Tb³⁺イオンはイオン半径106.3 pm（配位数8）を持ち、水溶液中で無色または淡黄色の錯体を形成します。その配位化学は豊かで、酸素ドナー配位子を好みます。Tb³⁺の発光特性は特に技術的応用で利用されています。

テルビウムの化学的反応性

空気と酸素との反応

金属テルビウムは室温の乾燥空気中でゆっくりと酸化し、薄い酸化物の層を形成し、基底金属を部分的に保護します。150-200 °C以上に加熱すると酸化が加速し、テルビウムは主に混合酸化物Tb₄O₇（Tb₂O₃·TbO₂に相当）を形成して燃焼します：8Tb + 7O₂ → 2Tb₄O₇。微粉末状のテ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。酸化テルビウム(III) Tb₂O₃は、高温の水素雰囲気下でTb₄O₇を還元することによって得られます。

水との反応と水酸化物の形成

テ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テルビウム(III) Tb(OH)₃を形成し、水素ガスを放出します：2Tb + 6H₂O → 2Tb(OH)₃ + 3H₂↑。水酸化物はゲル状の白色固体として沈殿し、溶解度は低いです。他のランタノイドと同様に、この反応はアルカリ金属やアルカリ土類金属ほど激しくありませんが、金属が湿気に曝される場合、長期にわたって観察される可能性があります。

ハロゲン、酸、その他の元素との反応

テ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：2Tb + 3F₂ → 2TbF₃（白色フッ化物）；2Tb + 3Cl₂ → 2TbCl₃（白色塩化物）。テルビウムは希酸（塩酸、硫酸、硝酸）に容易に溶け、水素を発生して対応するTb³⁺塩を形成します：2Tb + 6HCl → 2TbCl₃ + 3H₂↑。

テルビウムは中程度の温度（300-400 °C）で水素と反応してTbH₂を形成し、さらに高温でTbH₃を形成します。硫黄と反応してTb₂S₃を形成し、高温（>1000 °C）で窒素と反応してTbNを形成し、炭素と反応してTbC₂を形成します。テルビウムはまた、有機リガンドとの多くの錯体を形成し、特に発光マーカーや光学材料で利用されています。

優れた発光特性（緑色発光）

テルビウムの最も注目すべき性質は、その強い緑色発光です。Tb³⁺イオンは、最も発光性の高いランタノイドイオンの一つであり、UV（通常254 nmまたは365 nm）によって励起されると、主に545 nm（⁵D₄ → ⁷F₅遷移）で明るい緑色の光を放出します。この純粋な緑色発光は、高い量子収率（酸化物やフッ化物などの最適なマトリックスで最大90%）を持ち、テルビウムを多くの応用における標準的な緑色蛍光体としています。この発光は実際には、異なる⁷FJレベル（J=6,5,4,3...）への遷移に対応する複数の狭い線からなり、545 nmの線が最も強いです。

テルビウムの産業および技術的応用

三波長蛍光灯の緑色蛍光体（LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺） - 主要な歴史的応用；
磁歪合金Terfenol-D（Tb_xDy_1-xFe₂）のアクチュエータおよびセンサー - 高付加価値応用；
CRT（歴史的）およびLCDスクリーン（LEDバックライト）の緑色蛍光体のドーピング剤；
ユウロピウム（SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺,Tb³⁺）との残光性発光材料；
紙幣のセキュリティ（緑色発光防偽ピグメント）；
書き換え可能な光ディスク（DVD）用の相変化材料のドーピング剤；
放射線検出用シンチレーター（ガラスまたは結晶マトリックス中のTb³⁺）；
緑色LEDおよび白色LED照明用の蛍光体コンバーター；
生化学および免疫アッセイの蛍光マーカー（長寿命テルビウムキレート）；
電子セラミックス（Tb₄O₇ベースのコンデンサー）；
磁気光学材料（テルビウムドープ鉄ガーネット）；
特定のクラッキングおよび重合反応の触媒；
テルビウムドープ固体レーザー（緑色発光）；
増幅用光ファイバー（Tb³⁺ドーピング）；
有機ELデバイス（OLED）の緑色ドーピング剤。

照明とディスプレイ用の緑色蛍光体

三波長蛍光灯

テルビウムを有名にした応用は、高効率で色再現性の高い「三波長」蛍光灯の緑色蛍光体の主な活性剤としての使用です。標準的な蛍光体は、セルビウムとランタンのリン酸塩で、テルビウムでドープされています：LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺（しばしばLAPと呼ばれます）。この材料では、Ce³⁺イオンが水銀のUV放射（254 nm）を効率的に吸収し、エネルギーを隣接するTb³⁺イオンに移動させ、Tb³⁺イオンは545 nmで明るい緑色の光を放出します。青色（BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺）および赤色（Y₂O₃:Eu³⁺）の蛍光体と組み合わせることで、高品質の白色光を色再現指数（CRI）80以上で生成します。

性能と効率

LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺蛍光体は、最適な条件下でほぼ100%の量子収率、高い熱的および化学的安定性、純粋な緑色を示します。典型的な20Wコンパクト蛍光灯には、この蛍光体が約50-100ミリグラム含まれており、これは数ミリグラムのテルビウムに相当します。この応用は数十年にわたり世界のテルビウム消費の大部分を占めていましたが、徐々にLEDに置き換えられています。三波長蛍光灯の光効率は80-100ルーメン/ワットに達し、白熱灯の4〜5倍です。

LEDへの移行と新しい配合

白色LEDの登場により、テルビウムは蛍光体コンバーターでの新しい応用を見出しました。純粋な緑色LEDには、テルビウムドープのストロンチウムアルミニウムケイ酸塩（SrAl₂O₄:Tb³⁺）やテルビウムドープYAGが使用されます。白色LEDでは、テルビウム（緑）を含む蛍光体の混合物が青色および赤色の蛍光体と組み合わされ、完全なスペクトルと高いCRIを実現します。テルビウムドープの窒化物やオキシ窒化物蛍光体の開発が進行中であり、高温での安定性と効率の向上が期待されています。

磁歪合金：Terfenol-D

巨大磁歪の原理

磁歪は、特定の材料が磁場の影響下で形状や寸法を変化させる性質です。Terfenol-D（TERbium、FE（鉄）、Naval Ordnance Laboratory、およびDはジスプロシウムを意味する商品名）は、近似組成Tb_0.3Dy_0.7Fe₂の合金で、室温で巨大磁歪を示します。これは、磁場の作用下で長さの0.1〜0.2%まで伸縮することができ、これはニッケルなどの従来の磁歪材料の50〜100倍です。

組成と最適化

Terfenol-Dは、希土類（テルビウムとジスプロシウム）および鉄をベースとした合金です。テルビウムとジスプロシウムの組み合わせにより、室温での最適な磁歪を実現しつつ、磁気異方性を最小限に抑えることができます。鉄は磁気結合を提供します。この合金は通常、単結晶または方向性テクスチャ材料の形で提供され、特定の方向での効果を最大化します。テルビウムの含有量は性能にとって重要ですが、材料の高コストに大きく寄与します。

Terfenol-Dアクチュエータとセンサーの応用

Terfenol-Dは、精密アクチュエータ（ソナー変換器、磁気制御燃料噴射システム、マイクロおよびナノメートル位置決めシステム）、センサー（力およびトルクセンサー、ハイドロフォン）、超音波変換器（医療画像、超音波洗浄）、振動制御システム（能動減衰）に使用されます。その磁気エネルギーを機械的運動（およびその逆）に変換する能力は、大きな力、迅速な応答、高精度を備えており、多くのハイテク応用にとってユニークな材料となっています。典型的なアクチュエータには、数グラムから数百グラムのTerfenol-Dが含まれています。

セキュリティとマーキングの応用

偽造防止発光インク

テルビウムの有機錯体（通常はβ-ジケトナート配位子を持つ）は、UV照射下で強い緑色発光を示し、長い蛍光寿命（ミリ秒オーダー）を持ちます。これにより、セキュリティ応用に理想的です。これらは、紙幣、パスポート、IDカード、医薬品ラベル、高級品の印刷インクに使用されます。テルビウムの緑色発光は、しばしばユウロピウムの赤色発光と組み合わされ、複雑な色効果を作り出し、複製が困難です。

マーキングとトレーサビリティ

テルビウムドープのナノ粒子またはマイクロスフェアは、材料（プラスチック、塗料、インク）に組み込まれ、目視では見えないがUV蛍光で検出可能なマーカーを作成できます。これらのマーカーは、製品のトレーサビリティ、認証、偽造防止を可能にします。テルビウムのユニークなスペクトルシグネチャ（特徴的な狭い線）により、明確な識別が可能です。より高度なシステムでは、テルビウムを含む特定の希土類イオンの比率を使用して、「バーコード」のような発光マーカーを作成します。

医療および生物学的応用

免疫アッセイ用の蛍光マーカー

テルビウムのキレート（例えば、EDTAまたはその誘導体）は、長寿命の蛍光を示し、時間分解測定技術を用いて検出することができます。この方法は、生物学的成分からの短寿命の背景蛍光を効果的に除去し、アッセイの感度を大幅に向上させます。時間分解蛍光免疫アッセイ（TRFIA）は、テルビウムを使用して、ホルモン、腫瘍マーカー、ウイルス抗原などを非常に低い検出限界で測定します。

医療画像と研究

テルビウム錯体は、MRI（磁気共鳴画像法）の造影剤として研究されていますが、ガドリニウムベースの造影剤ほど効果的ではありません。テルビウム-161（⁶¹Tb）は、ベータ放出同位体であり、腫瘍細胞を特異的に標的とする分子と結合させた標的治療（サーノスティクス）のために研究されています。テルビウムドープナノ粒子の光学画像および治療への応用に関する研究も活発です。

毒性と環境への懸念

中程度の化学的毒性

テルビウムおよびその化合物は、他のランタノイドと同様の中程度の化学的毒性を示します。テルビウムの可溶性塩は、皮膚、眼、呼吸器系の刺激を引き起こす可能性があります。テルビウム化合物の粉塵を吸入すると、肺の刺激を引き起こす可能性があります。毒性学的研究では、テルビウム塩の急性毒性は低から中程度であり、経口投与によるラットの半数致死量（LD50）は通常500-1000 mg/kg以上です。テルビウムに対する発がん性、変異原性、催奇形性の影響は明確には示されていません。

生物分布と排泄

他のランタノイドと同様に、摂取または注射されたテルビウムは主に肝臓と骨格に蓄積します。その生物学的半減期は長く（骨格部分では数年）、テルビウムには既知の生物学的役割がなく、必須元素とは見なされていません。人間における直接的な使用が限られている（研究用トレーサーを除く）ため、一般人口の曝露は極めて低く、主に拡散的な環境源からのものです。

採掘に関連する懸念

主な環境懸念は、テルビウム特有のものではなく、希土類の採掘および精製全般に関連しています。テルビウム1キログラムの抽出には、数百トンの鉱石の処理が必要であり、大量の廃棄物、酸性水、および時には放射性残渣（トリウム、ウラン）が発生します。採掘現場は、土壌、水、労働者の健康に重大な影響を与える可能性があり、適切な管理が行われない場合に特に問題となります。

リサイクルと重要な供給

テルビウムは、その経済的重要性、戦略的応用（防衛、ハイテク）、および生産の地理的集中度（中国）のため、欧州連合および米国によって「重要原材料」に分類されています。したがって、使用済み蛍光灯、磁石、電子廃棄物からのテルビウムのリサイクルは、供給の確保と環境への影響を軽減するための優先事項です。リサイクル技術（水冶金、火法冶金）は運用可能ですが、効果的な収集および選別インフラが必要です。現在のリサイクル率は低い（1%未満）ですが、電気電子機器廃棄物（WEEE）に関する規制と価格の上昇により、今後増加すると予想されています。

職業曝露と規制

テルビウムへの職業曝露は、主に希土類生産工場、蛍光体製造、リサイクル施設で発生します。ほとんどの国では、テルビウムに対する特定の職業曝露限界値は存在しません。希土類粉塵に対する一般的な推奨値が適用されます（通常、吸入可能な粉塵に対して5-10 mg/m³）。テルビウム化合物の粉塵またはエアロゾルが存在する可能性のある環境では、個人用保護具（マスク、手袋）と適切な換気が必要です。