天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2024年4月2日

钐(Sm,Z = 62):源于星辰的地球磁石

钐原子模型
Simplified atomic model of the samarium atom. The most abundant isotope is \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\) with its 62 protons, 62 electrons, and 90 neutrons.
Image source: astronoo.com

钐在天体物理学和宇宙学中的作用

Samarium is an element produced mainly by the 慢中子俘获过程(s-过程) in asymptotic giant branch (AGB) stars. A fraction is also synthesized by the 快速中子捕获过程(r-过程) during cataclysmic events such as neutron star mergers or supernovae.

The abundance of samarium in stars is a valuable indicator for astronomers. The abundance ratio between samarium and other elements produced by similar processes (such as neodymium or europium) helps trace the history of nucleosynthesis in our galaxy. Measuring samarium abundances in old, metal-poor stars helps understand the relative efficiency of the s and r processes in the early universe. Furthermore, the radioactive isotope 146Sm (half-life of 68 million years) existed at the beginning of the solar system. Its past presence, detected by its decay products in meteorites, is used as a 用于测定行星分异时间的计时器 and the formation of the cores of terrestrial planets like Earth and Mars.

钐元素的发现历史

The history of samarium begins with the analysis of a rare mineral, samarskite, identified in the Urals around 1847 and named after Russian Colonel Vassili Samarski (1803-1870). The Swiss chemist 让·查尔斯·加利萨德·德·马里尼亚克 (1817-1894) was the first to observe unknown spectral lines in this mineral in 1853, suggesting the presence of a new element. However, it was the French chemist 保罗-埃米尔·勒科克·德布瓦博德朗 (1838-1912) who, in 1879, succeeded in isolating an oxide of a new element from samarskite. He confirmed his discovery by spectroscopy and named this element after the original mineral. This was the first identification of a rare earth element from this mineral, paving the way for the discovery of other lanthanides.

注意::
Samarium does not occur in its native state. It is mainly extracted from ores such as monazite and bastnäsite, which contain a mixture of rare earths. Its abundance in the Earth's crust is about 7 ppm, which is higher than that of elements like tin. The separation of samarium from other lanthanides, a complex process due to their very similar chemical properties, is achieved by modern techniques such as ion exchange or solvent extraction.

结构与基本性质

Samarium (symbol Sm, atomic number 62) is an element of the lanthanide series, belonging to the rare earth group. Its atom has 62 protons, usually 90 neutrons (for the most abundant isotope \(\,^{152}\mathrm{Sm}\)) and 62 electrons with the electronic configuration [Xe] 4f⁶ 6s².
At room temperature, samarium is a silvery, relatively hard and brittle solid metal. It is a moderately dense element (density ≈ 7.52 g/cm³) and exhibits slight magnetism at room temperature.
Melting point (liquid state) of samarium: 1,345 K (1,072 °C).
Boiling point (gaseous state) of samarium: 2,067 K (1,794 °C).

钐同位素一览表

钐同位素(关键物理性质)
同位素 / 符号质子(Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期/稳定性衰减 / 备注
钐-152 — \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\)6290151.919732 u≈ 26.75%稳定最丰富的稳定同位素。
钐-154 — \(\,^{154}\mathrm{Sm}\,\)6292153.922209 u≈ 22.75%稳定第二种稳定同位素。
钐-147 — \(\,^{147}\mathrm{Sm}\,\)6285146.914898 u≈ 14.99%1.06 × 10¹¹ 年放射性,α发射体。地质测年(Sm-Nd)的基础。
钐-149 — \(\,^{149}\mathrm{Sm}\,\)6287148.917185 u≈ 13.82%稳定的稳定同位素。它是一种强效中子毒物。
钐-150 — \(\,^{150}\mathrm{Sm}\,\)6288149.917276 u≈ 7.38%稳定的稳定同位素。
钐-144 — \(\,^{144}\mathrm{Sm}\,\)6282143.912006 u≈ 3.07%稳定的最轻的稳定同位素。
钐-153 — \(\,^{153}\mathrm{Sm}\,\)6291152.922097 u合成46.3小时β⁻发射体。用于核医学治疗骨痛。

钐的电子排布与电子壳层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

钐有62个电子,分布在六个电子壳层中。其完整电子排布为:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f⁶ 6s²,或简写为:[Xe] 4f⁶ 6s²。该排布也可写作:K(2) L(8) M(18) N(24) O(8) P(2)。

壳层的详细结构

K壳层 (n=1): 2 electrons (1s²).
L层(n=2): 8 electrons (2s² 2p⁶).
M层 (n=3): 18 electrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N层(n=4): 24 electrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁶). The 4f subshell, partially filled with 6 electrons, is responsible for the unique magnetic and optical properties of samarium.
O壳层 (n=5): 8 electrons (5s² 5p⁶).
P壳层(n=6): 2 electrons (6s²).

价电子与氧化态

The valence electrons of samarium are mainly the 2 electrons 6s², but the 6 electrons 4f also actively participate in chemical bonding. This configuration leads to several possible oxidation states.
The most common and stable oxidation state is +3 (Sm³⁺), where the atom loses its two 6s² electrons and one 4f electron, reaching a particularly stable [Xe] 4f⁵ configuration (half-filled f subshell).
The oxidation state +2 (Sm²⁺) is also known and relatively stable for a lanthanide, where the atom loses only its two 6s² electrons to give [Xe] 4f⁶. Sm²⁺ is a powerful reducing agent.
This duality (+2/+3) gives samarium a rich chemistry, used in reduction applications in organic synthesis.

化学反应活性

钐是一种相对活泼的金属。它在空气中会缓慢失去光泽,表面形成氧化物(Sm₂O₃)。粉末状的钐可能自燃。它与水反应释放氢气,但速度比碱土金属慢。钐易溶于稀酸。在中等温度下,钐能与大多数非金属(卤素、氢、氮、硫)反应。其水溶液化学性质主要由Sm³⁺离子主导,该离子能形成稳定的络合物,并呈现特征性的淡黄色。

钐的工业和技术应用

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素