عنصر الأرض النادرة السحري: الإيتربيوم

الإيتربيوم: العدد الذري ٧٠، الوزن الذري ١٧٣٫٠٤، اسم العنصر مشتق من موقع اكتشافه. محتوىالإيتربيومتبلغ نسبة الفوسفوريت في القشرة الأرضية 0.000266%، وتتواجد بشكل رئيسي في رواسب الفوسفوريت والذهب الأسود النادر، بينما تبلغ نسبته في المونازيت 0.03%، مع 7 نظائر طبيعية.

اكتشاف التاريخ

اكتشفه: ماريناك

الوقت: 1878

الموقع: سويسرا 

في عام ١٨٧٨، اكتشف الكيميائيان السويسريان جان تشارلز وج. مارينياك عنصرًا أرضيًا نادرًا جديدًا في "الإربيوم". وفي عام ١٩٠٧، أشار أولبان وويلز إلى أن مارينياك فصل خليطًا من أكسيد اللوتيتيوم وأكسيد الإيتربيوم. وتخليدًا لذكرى قرية صغيرة تُدعى يتربي قرب ستوكهولم، حيث اكتُشف خام الإيتربيوم، سُمي هذا العنصر الجديد الإيتربيوم بالرمز Yb.

التوزيع الإلكتروني

1س2 2س2 2ب6 3س2 3ب6 4س2 3د10 4ب6 5س2 4د10 5ب6 6س2 4ف14

معدن

الإيتربيوم المعدنيلونه رمادي فضي، مطيل، وله ملمس ناعم. في درجة حرارة الغرفة، يتأكسد الإيتربيوم ببطء بالهواء والماء.

هناك بنيتان بلوريّتان: α- وهو نظام بلوري مكعب مركزه الوجه (درجة حرارة الغرفة -٧٩٨ درجة مئوية)؛ β- وهو شبكة مكعب مركزها الجسم (أعلى من ٧٩٨ درجة مئوية). درجة الانصهار ٨٢٤ درجة مئوية، درجة الغليان ١٤٢٧ درجة مئوية، الكثافة النسبية ٦.٩٧٧ (α- نوع)، ٦.٥٤ (β- نوع).

لا يذوب في الماء البارد، ويذوب في الأحماض والأمونيا السائلة. وهو مستقر تمامًا في الهواء. ومثل الساماريوم واليوروبيوم، ينتمي الإيتربيوم إلى العناصر الأرضية النادرة متغيرة التكافؤ، ويمكن أن يكون في حالة ثنائية التكافؤ موجبة، بالإضافة إلى كونه عادةً ثلاثي التكافؤ.

نظرًا لتغير خاصية التكافؤ هذه، لا ينبغي تحضير الإيتربيوم المعدني بالتحليل الكهربائي، بل بطريقة التقطير الاختزالي للتحضير والتنقية. عادةً،معدن اللانثانوميُستخدم كعامل اختزال في تقطير الاختزال، مستفيدًا من الفرق بين ضغط بخار معدن الإيتربيوم المرتفع وضغط بخار معدن اللانثانوم المنخفض. وبدلًا من ذلك،الثوليوم, الإيتربيوم، واللوتيتيوميمكن استخدام المُركّزات كمواد خام، كما يمكن استخدام اللانثانوم المعدني كعامل اختزال. في ظروف فراغ عالية الحرارة (أكثر من ١١٠٠ درجة مئوية وضغط أقل من ٠٫١٣٣ باسكال)، يمكن استخلاص الإيتربيوم المعدني مباشرةً عن طريق التقطير الاختزالي.الساماريومواليوروبيوم،يمكن أيضًا فصل الإيتربيوم وتنقيته بطريقة الاختزال الرطب. عادةً ما تُستخدم مُركّزات الثوليوم والإيتربيوم واللوتيتيوم كمواد خام. بعد الذوبان، يُختزل الإيتربيوم إلى حالة ثنائية التكافؤ، مما يُسبب اختلافات كبيرة في الخصائص، ثم يُفصل عن العناصر الأرضية النادرة ثلاثية التكافؤ الأخرى. عادةً ما يُنتج أكسيد الإيتربيوم عالي النقاء باستخدام كروماتوغرافيا الاستخلاص أو طريقة التبادل الأيوني.

طلب

تستخدم في تصنيع السبائك الخاصة.سبائك الإيتربيوموقد تم تطبيقها في طب الأسنان لإجراء التجارب المعدنية والكيميائية.

في السنوات الأخيرة، ظهر الإيتربيوم وتطور بسرعة في مجالات الاتصالات بالألياف البصرية وتكنولوجيا الليزر.

مع بناء وتطوير "طريق المعلومات السريع"، ازدادت متطلبات أداء مواد الألياف الضوئية المستخدمة في الاتصالات البصرية في شبكات الحاسوب وأنظمة نقل الألياف الضوئية لمسافات طويلة. ويمكن استخدام أيونات الإيتربيوم، بفضل خصائصها الطيفية الممتازة، كمواد لتضخيم الألياف في الاتصالات البصرية، تمامًا مثل...الإربيوموالثوليومعلى الرغم من أن عنصر الإربيوم الأرضي النادر لا يزال العنصر الرئيسي في تحضير مُضخِّمات الألياف، إلا أن ألياف الكوارتز التقليدية المُشبَّعة بالإربيوم تتميز بنطاق ترددي صغير (30 نانومتر)، مما يُصعِّب تلبية متطلبات نقل المعلومات عالي السرعة والسعة. تتميز أيونات Yb3+ بمقطع امتصاص أكبر بكثير من أيونات Er3+، حوالي 980 نانومتر. ومن خلال تأثير التحسيس لـ Yb3+ ونقل طاقة الإربيوم والإيتربيوم، يُمكن تحسين الضوء بطول موجة 1530 نانومتر بشكل كبير، مما يُحسِّن كفاءة تضخيمه بشكل كبير.

في السنوات الأخيرة، ازداد إقبال الباحثين على زجاج الفوسفات المُشبَّع بالإربيوم والإيتربيوم. يتميز زجاج الفوسفات والفلوروفوسفات بثبات كيميائي وحراري جيد، بالإضافة إلى نفاذية واسعة للأشعة تحت الحمراء وخصائص تمدد غير منتظمة كبيرة، مما يجعله مواد مثالية لألياف الزجاج المُضخِّمة عالية الكسب وذات النطاق العريض والمُشبَّعة بالإربيوم. تستطيع مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بـ Yb3+ تحقيق تضخيم الطاقة وتضخيم الإشارات الصغيرة، مما يجعلها مناسبة لمجالات مثل مستشعرات الألياف الضوئية، واتصالات الليزر في الفضاء الحر، وتضخيم النبضات فائقة القصر. شيَّدت الصين حاليًا أكبر نظام نقل ضوئي أحادي القناة وأسرعه في العالم، ولديها أوسع طريق سريع للمعلومات في العالم. تلعب مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بالإيتربيوم وغيرها من مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بالعناصر الأرضية النادرة، بالإضافة إلى مواد الليزر، دورًا حاسمًا وهامًا في هذا المجال.

تُستخدم الخصائص الطيفية للإيتربيوم أيضًا كمواد ليزر عالية الجودة، سواءً كبلورات ليزر، أو زجاج ليزر، أو ليزرات ألياف. وباعتبارها مادة ليزر عالية الطاقة، شكّلت بلورات الليزر المُشَوَّبة بالإيتربيوم سلسلةً ضخمة، بما في ذلك بلورات مُشَوَّبة بالإيتربيوم.ألومنيوم الإيتريومالعقيق (Yb: YAG)، مضاف إليه الإيتربيومالغادولينيومعقيق الغاليوم (Yb: GGG)، فلوروفوسفات الكالسيوم المضاف إليه الإيتربيوم (Yb: FAP)، فلوروفوسفات السترونشيوم المضاف إليه الإيتربيوم (Yb: S-FAP)، فانادات الإيتريوم المضاف إليه الإيتربيوم (Yb: YV04)، بورات الإيتربيوم المضاف إليه، والسيليكات. يُعد ليزر أشباه الموصلات (LD) نوعًا جديدًا من مصادر ضخ ليزرات الحالة الصلبة. يتميز ليزر Yb: YAG بالعديد من الخصائص المناسبة لضخ ليزرات الحالة الصلبة عالية الطاقة، وقد أصبح مادة ليزرية تُستخدم في هذا النوع من الضخ. قد تُستخدم بلورة Yb: S-FAP كمواد ليزرية للاندماج النووي بالليزر في المستقبل، وهو ما جذب انتباه الكثيرين. في بلورات الليزر القابلة للضبط، يوجد الكروم، الإيتربيوم، الهولميوم، الإتريوم، الألومنيوم، الغاليوم، العقيق (Cr، Yb، Ho: YAGG) بأطوال موجية تتراوح بين 2.84 و3.05 ميكرومتر، قابلة للتعديل باستمرار بين أمتار. ووفقًا للإحصاءات، فإن معظم الرؤوس الحربية بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الصواريخ حول العالم تستخدم أطوالًا موجية تتراوح بين 3 و5 ميكرومتر. لذلك، فإن تطوير ليزرات الكروم، Yb، Ho: YSGG يمكن أن يوفر تداخلًا فعالًا لمكافحة الأسلحة الموجهة بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وله أهمية عسكرية بالغة. حققت الصين سلسلة من النتائج المبتكرة بمستوى متقدم دوليًا في مجال بلورات الليزر المُشبعة بالإيتربيوم (Yb: YAG، Yb: FAP، Yb: SFAP، إلخ)، مما ساهم في حل تقنيات رئيسية مثل نمو البلورات وإخراج الليزر السريع والنبضي والمستمر والقابل للتعديل. تم تطبيق نتائج البحث في الدفاع الوطني والصناعة والهندسة العلمية، وتم تصدير منتجات الكريستال المخصبة بالإيتربيوم إلى العديد من البلدان والمناطق مثل الولايات المتحدة واليابان.

فئة رئيسية أخرى من مواد ليزر الإيتربيوم هي زجاج الليزر. طُوّرت أنواع مختلفة من زجاج الليزر عالي الانبعاث ذي المقطع العرضي، بما في ذلك تيلورايت الجرمانيوم، ونيوبات السيليكون، والبورات، والفوسفات. بفضل سهولة تشكيل الزجاج، يُمكن تصنيعه بأحجام كبيرة، ويتميز بخصائص مثل نفاذية الضوء العالية والتجانس العالي، مما يُتيح إنتاج ليزر عالي الطاقة. كان زجاج ليزر العناصر الأرضية النادرة المألوف يُستخدم بشكل رئيسي في السابق.نيوديميومالزجاج، الذي يتمتع بتاريخ تطوير يمتد لأكثر من 40 عامًا وتكنولوجيا إنتاج وتطبيق متطورة. لطالما كان المادة المفضلة لأجهزة الليزر عالية الطاقة، وقد استُخدم في الأجهزة التجريبية للاندماج النووي وأسلحة الليزر. أجهزة الليزر عالية الطاقة المُصنّعة في الصين، والمكونة من ليزرنيوديميومالزجاج، باعتباره الوسيط الليزري الرئيسي، قد وصل إلى مستوى متقدم عالميًا. لكن زجاج النيوديميوم الليزري يواجه الآن تحديًا قويًا من زجاج الإيتربيوم الليزري.

في السنوات الأخيرة، أظهر عدد كبير من الدراسات أن العديد من خصائص زجاج الإيتربيوم بالليزر تتجاوز تلك الموجودة فينيوديميومالزجاج. نظرًا لأن التلألؤ المُشَبَّب بالإيتربيوم يحتوي على مستويين فقط من الطاقة، فإن كفاءة تخزين الطاقة عالية. وفي الوقت نفسه، يتمتع زجاج الإيتربيوم بكفاءة تخزين طاقة أعلى بستة عشر ضعفًا من زجاج النيوديميوم، وعمر فلوري أعلى بثلاثة أضعاف من زجاج النيوديميوم. كما يتميز بمزايا مثل تركيز التطعيم العالي، وعرض نطاق الامتصاص، وإمكانية ضخه مباشرةً بواسطة أشباه الموصلات، مما يجعله مناسبًا جدًا لليزر عالي الطاقة. ومع ذلك، يعتمد التطبيق العملي لزجاج ليزر الإيتربيوم غالبًا على مساعدة النيوديميوم، مثل استخدام Nd3+ كمحسس لجعل زجاج ليزر الإيتربيوم يعمل في درجة حرارة الغرفة، ويتم تحقيق انبعاث ليزر μ عند طول موجة m. لذا، يُعد كل من الإيتربيوم والنيوديميوم منافسين وشركاء تعاونيين في مجال زجاج الليزر.

من خلال تعديل تركيبة الزجاج، يُمكن تحسين العديد من خصائص التوهج لزجاج ليزر الإيتربيوم. ومع تطور الليزر عالي الطاقة كتوجه رئيسي، يزداد استخدام الليزر المصنوع من زجاج ليزر الإيتربيوم على نطاق واسع في الصناعات الحديثة والزراعة والطب والبحث العلمي والتطبيقات العسكرية.

الاستخدام العسكري: لطالما كان استخدام الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي كطاقة هدفًا متوقعًا، وسيُمثل تحقيق اندماج نووي مُتحكم فيه وسيلةً مهمةً للبشرية لحل مشاكل الطاقة. يُصبح زجاج الليزر المُضاف إليه الإيتربيوم المادة المُفضلة لتحقيق ترقيات الاندماج بالاحتجاز بالقصور الذاتي (ICF) في القرن الحادي والعشرين، وذلك بفضل أدائه الليزري الممتاز.

تستخدم أسلحة الليزر الطاقة الهائلة لشعاع الليزر لضرب الأهداف وتدميرها، مُولِّدةً درجات حرارة تصل إلى مليارات الدرجات المئوية، ومهاجمةً مباشرةً بسرعة الضوء. تُعرف هذه الأسلحة باسم "نادانا"، وتتميز بقدرة فتك عالية، وهي مناسبة بشكل خاص لأنظمة أسلحة الدفاع الجوي الحديثة في الحروب. وقد جعل الأداء الممتاز لزجاج الليزر المُشبَّع بالإيتربيوم منه مادةً أساسيةً مهمةً لتصنيع أسلحة الليزر عالية القدرة والأداء.

ليزر الألياف تقنية جديدة سريعة التطور، وتنتمي أيضًا إلى مجال تطبيقات زجاج الليزر. ليزر الألياف هو ليزر يستخدم الألياف كوسيط ليزر، وهو نتاج دمج تقنيتي الألياف والليزر. إنها تقنية ليزر جديدة طُوّرت على أساس تقنية مُضخّم الألياف المُشبّع بالإربيوم (EDFA). يتكون ليزر الألياف من صمام ثنائي ليزر أشباه الموصلات كمصدر للمضخة، ودليل موجي للألياف البصرية، ووسيط كسب، ومكونات بصرية مثل الألياف الشبكية والمُقارنات. لا يتطلب تعديلًا ميكانيكيًا للمسار الضوئي، وآلية عمله مدمجة وسهلة التكامل. بالمقارنة مع ليزرات الحالة الصلبة التقليدية وليزر أشباه الموصلات، يتميز ليزر الألياف بمزايا تكنولوجية وأداء عالية، مثل جودة شعاع عالية، وثبات جيد، ومقاومة قوية للتداخل البيئي، وعدم الحاجة إلى تعديل أو صيانة، وهيكل مدمج. نظرًا لحقيقة أن الأيونات المخدرة هي في الأساس Nd + 3 و Yb + 3 و Er + 3 و Tm + 3 و Ho + 3، والتي تستخدم جميعها أليافًا أرضية نادرة كوسيط كسب، يمكن أيضًا تسمية ليزر الألياف الذي طورته الشركة باسم ليزر ألياف أرضية نادرة.

تطبيقات الليزر: أصبح ليزر الألياف مزدوج الغلاف عالي الطاقة، المُشَوَّب بالإيتربيوم، مجالاً رائجاً في تكنولوجيا ليزر الحالة الصلبة دولياً في السنوات الأخيرة. يتميز بجودة شعاعه العالية، وبنيته المدمجة، وكفاءة تحويله العالية، وإمكانات تطبيقه الواسعة في المعالجة الصناعية وغيرها من المجالات. تُناسب ألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف المُشَوَّبة ضخ ليزر أشباه الموصلات، بكفاءة اقتران عالية وقوة خرج ليزر عالية، وهي الاتجاه الرئيسي لتطوير ألياف الإيتربيوم. لم تعد تكنولوجيا ألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف الصينية مُضاهيةً للمستوى المتقدم للدول الأجنبية. وصلت ألياف الإيتربيوم، وألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف المُشَوَّبة بالإيتربيوم، وألياف الإربيوم والإيتربيوم المُشَوَّبة بالإربيوم المُشَوَّبة بالإيتربيوم المُطَوَّرة في الصين إلى مستوى متقدم من المنتجات الأجنبية المماثلة من حيث الأداء والموثوقية، وتتميز بمزايا التكلفة، وتحتوي على تقنيات أساسية حاصلة على براءات اختراع لمنتجات وطرق متعددة.

أعلنت شركة IPG الألمانية الرائدة عالميًا في مجال الليزر مؤخرًا أن نظام ليزر الألياف المُشَبَّع بالإيتربيوم الذي أطلقته حديثًا يتميز بخصائص شعاع ممتازة، وعمر تشغيلي للمضخة يزيد عن 50,000 ساعة، وطول موجة انبعاث مركزي يتراوح بين 1070 و1080 نانومتر، وطاقة خرج تصل إلى 20 كيلوواط. وقد استُخدم هذا النظام في اللحام الدقيق والقطع وحفر الصخور.

تُعدّ مواد الليزر جوهرَ وأساسَ تطوير تكنولوجيا الليزر. لطالما سادت مقولةٌ في صناعة الليزر مفادها "جيلٌ من المواد، جيلٌ من الأجهزة". ولتطوير أجهزة ليزر متطورة وعملية، لا بدّ من امتلاك مواد ليزر عالية الأداء ودمج التقنيات الأخرى ذات الصلة. تُعزز بلورات الليزر المُشبّعة بالإيتربيوم وزجاج الليزر، باعتبارها القوة الجديدة لمواد الليزر الصلبة، التطويرَ المبتكر لاتصالات الألياف الضوئية وتكنولوجيا الليزر، لا سيما في تقنيات الليزر المتطورة، مثل ليزر الاندماج النووي عالي الطاقة، وليزر البلاط النبضي عالي الطاقة، وليزر الأسلحة عالي الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الإيتربيوم أيضًا كمنشط مسحوق فلوري، وفي سيراميك الراديو، وكمضافات لمكونات ذاكرة الحاسوب الإلكترونية (الفقاعات المغناطيسية)، ومضافات للزجاج البصري. تجدر الإشارة إلى أن الإيتربيوم والإيتربيوم كلاهما من العناصر الأرضية النادرة. على الرغم من وجود اختلافات كبيرة في أسماء العناصر الإنجليزية ورموزها، إلا أن الأبجدية الصوتية الصينية تشترك في نفس المقاطع. في بعض الترجمات الصينية، يُشار أحيانًا إلى الإيتربيوم خطأً باسم الإيتربيوم. في هذه الحالة، نحتاج إلى تتبع النص الأصلي ودمج رموز العناصر للتأكد.