العنصر الأرضي النادر السحري: الإيتربيوم

الإيتربيوم: العدد الذري 70، الوزن الذري 173.04، اسم العنصر مشتق من موقع اكتشافه. محتوىالإيتربيومفي القشرة 0.000266%، موجود بشكل رئيسي في رواسب الفوسفوريت والذهب الأسود النادر، بينما المحتوى في المونازيت 0.03%، مع 7 نظائر طبيعية.

اكتشاف التاريخ

اكتشف بواسطة: ماريناك

الزمن : 1878

الموقع: سويسرا 

في عام 1878، اكتشف الكيميائيان السويسريان جان تشارلز وجي ماريناك عنصرًا أرضيًا نادرًا جديدًا في "الإربيوم". في عام 1907، أشار أولبان وويلز إلى أن ماريناك قام بفصل خليط من أكسيد اللوتيتيوم وأكسيد الإيتربيوم. تخليدا لذكرى القرية الصغيرة المسماة يتربي بالقرب من ستوكهولم، حيث تم اكتشاف خام الإيتريوم، تم تسمية هذا العنصر الجديد باسم يتربيوم بالرمز Yb.

التكوين الإلكتروني

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

معدن

الإيتربيوم المعدنيلونه رمادي فضي، ومرن، وله ملمس ناعم. في درجة حرارة الغرفة، يمكن أن يتأكسد الإيتربيوم ببطء عن طريق الهواء والماء.

هناك نوعان من الهياكل البلورية: α- النوع عبارة عن نظام بلوري مكعب يتمحور حول الوجه (درجة حرارة الغرفة -798 درجة مئوية)؛ β- النوع عبارة عن شبكة مكعبة متمركزة حول الجسم (فوق 798 درجة مئوية). نقطة الانصهار 824 درجة مئوية، نقطة الغليان 1427 درجة مئوية، الكثافة النسبية 6.977 (نوع α)، 6.54 (نوع β).

غير قابلة للذوبان في الماء البارد، قابل للذوبان في الأحماض والأمونيا السائلة. أنها مستقرة تماما في الهواء. على غرار السماريوم والأوروبيوم، ينتمي الإيتربيوم إلى الأرض النادرة المتغيرة التكافؤ، ويمكن أيضًا أن يكون في حالة ثنائية التكافؤ موجبة بالإضافة إلى كونه ثلاثي التكافؤ عادةً.

بسبب خاصية التكافؤ المتغيرة هذه، لا ينبغي أن يتم تحضير الإيتربيوم المعدني عن طريق التحليل الكهربائي، ولكن عن طريق طريقة التقطير الاختزالي للتحضير والتنقية. عادة،معدن اللانثانميستخدم كعامل اختزال للتقطير المختزل، وذلك باستخدام الفرق بين ضغط البخار العالي لمعدن الإيتربيوم وضغط البخار المنخفض لمعدن اللانثانوم. بدلاً عن ذلك،الثوليوم, الإيتربيوم، واللوتيتيوميمكن استخدام المركزات كمواد خام، ويمكن استخدام اللانثانم المعدني كعامل اختزال. في ظل ظروف الفراغ ذات درجة الحرارة العالية التي تزيد عن 1100 درجة مئوية و<0.133 باسكال، يمكن استخلاص معدن الإيتربيوم مباشرة عن طريق التقطير المختزل. يحبسماريومواليوروبيوم,يمكن أيضًا فصل الإيتربيوم وتنقيته من خلال الاختزال الرطب. عادة، يتم استخدام مركزات الثوليوم والإيتربيوم واللوتيتيوم كمواد خام. بعد الذوبان، يتم تقليل الإيتربيوم إلى حالة ثنائية التكافؤ، مما يسبب اختلافات كبيرة في الخصائص، ثم يتم فصله عن الأتربة النادرة الثلاثية التكافؤ الأخرى. عادة ما يتم إنتاج أكسيد الإيتربيوم عالي النقاء عن طريق الاستخلاص اللوني أو طريقة التبادل الأيوني

طلب

تستخدم لتصنيع السبائك الخاصة.سبائك الإيتربيومتم تطبيقها في طب الأسنان للتجارب المعدنية والكيميائية.

وفي السنوات الأخيرة، ظهر الإيتربيوم وتطور بسرعة في مجالات اتصالات الألياف الضوئية وتكنولوجيا الليزر.

مع إنشاء وتطوير "طريق المعلومات السريع"، فإن شبكات الكمبيوتر وأنظمة نقل الألياف الضوئية لمسافات طويلة لديها متطلبات عالية بشكل متزايد لأداء مواد الألياف الضوئية المستخدمة في الاتصالات البصرية. يمكن استخدام أيونات الإيتربيوم، نظرًا لخصائصها الطيفية الممتازة، كمواد لتضخيم الألياف للاتصالات البصرية، تمامًا مثلالإربيوموالثوليوم. على الرغم من أن عنصر الإربيوم الأرضي النادر لا يزال هو اللاعب الرئيسي في تحضير مضخمات الألياف، إلا أن ألياف الكوارتز التقليدية المشبعة بالإربيوم لها عرض نطاق ترددي صغير (30 نانومتر)، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات نقل المعلومات بسرعة عالية وقدرة عالية. تتمتع أيونات Yb3+ بمقطع عرضي لامتصاص أكبر بكثير من أيونات Er3+ عند حوالي 980 نانومتر. من خلال تأثير التحسس لـ Yb3+ ونقل الطاقة للإربيوم والإيتربيوم، يمكن تعزيز ضوء 1530 نانومتر بشكل كبير، وبالتالي تحسين كفاءة تضخيم الضوء بشكل كبير.

في السنوات الأخيرة، أصبح زجاج الفوسفات المخدر بالإربيوم والإيتربيوم مفضلاً بشكل متزايد من قبل الباحثين. تتمتع نظارات الفوسفات والفلوروفوسفات بثبات كيميائي وحراري جيد، بالإضافة إلى نفاذية واسعة للأشعة تحت الحمراء وخصائص توسيع كبيرة غير موحدة، مما يجعلها مواد مثالية للنطاق العريض والألياف الزجاجية المضخمة ذات الكسب العالي. يمكن لمضخمات الألياف Yb3+المخدرة تحقيق تضخيم الطاقة وتضخيم الإشارة الصغيرة، مما يجعلها مناسبة لمجالات مثل أجهزة استشعار الألياف الضوئية، واتصالات الليزر في الفضاء الحر، وتضخيم النبض القصير جدًا. وقد قامت الصين حاليا ببناء أكبر قدرة قناة واحدة في العالم وأسرع نظام نقل بصري، ولديها أوسع طريق سريع للمعلومات في العالم. يلعب الإيتربيوم المخدر وغيره من مضخمات الألياف النادرة ومواد الليزر دورًا حاسمًا وهامًا فيها.

تُستخدم الخصائص الطيفية للإيتربيوم أيضًا كمواد ليزر عالية الجودة، سواء كبلورات ليزر أو نظارات ليزر أو ليزر ألياف. باعتبارها مادة ليزر عالية الطاقة، شكلت بلورات الليزر المشبعة بالإيتربيوم سلسلة ضخمة، بما في ذلك المنشطات بالإيتربيومالألومنيوم الإيتريومالعقيق (Yb: YAG)، الإيتربيوم المخدرالجادولينيومعقيق الغاليوم (Yb: GGG)، فلوروفوسفات الكالسيوم المخدر بالإيتربيوم (Yb: FAP)، فلوروفوسفات السترونتيوم المخدر بالإيتربيوم (Yb: S-FAP)، فانادات الإيتربيوم المخدر (Yb: YV04)، بورات الإيتربيوم المخدر، والسيليكات. ليزر أشباه الموصلات (LD) هو نوع جديد من مصادر المضخات لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة. Yb: يتميز YAG بالعديد من الخصائص المناسبة لضخ LD عالي الطاقة وقد أصبح مادة ليزر لضخ LD عالي الطاقة. Yb: يمكن استخدام بلورة S-FAP كمادة ليزر للاندماج النووي بالليزر في المستقبل، الأمر الذي جذب انتباه الناس. في بلورات الليزر القابلة للضبط، يوجد عقيق الكروم والإيتربيوم والهولميوم والإيتريوم والألمنيوم والجاليوم (Cr، Yb، Ho: YAGG) بأطوال موجية تتراوح من 2.84 إلى 3.05 μ قابلة للتعديل باستمرار بين m. وفقًا للإحصاءات، فإن معظم الرؤوس الحربية العاملة بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الصواريخ حول العالم تستخدم 3-5 μ لذلك، فإن تطوير ليزر Cr وYb وHo: YSGG يمكن أن يوفر تداخلاً فعالاً للتدابير المضادة للأسلحة الموجهة بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وله أهمية عسكرية مهمة. حققت الصين سلسلة من النتائج المبتكرة ذات المستوى المتقدم الدولي في مجال بلورات الليزر المخدرة بالإيتربيوم (Yb: YAG، Yb: FAP، Yb: SFAP، وما إلى ذلك)، وحل التقنيات الرئيسية مثل نمو البلورات والليزر السريع والنبض، إخراج مستمر وقابل للتعديل. وقد تم تطبيق نتائج الأبحاث في مجالات الدفاع الوطني والصناعة والهندسة العلمية، وتم تصدير منتجات كريستال الإيتربيوم المخدرة إلى بلدان ومناطق متعددة مثل الولايات المتحدة واليابان.

فئة رئيسية أخرى من مواد ليزر الإيتربيوم هي زجاج الليزر. لقد تم تطوير العديد من نظارات الليزر ذات المقطع العرضي العالي الانبعاثات، بما في ذلك تيلوريت الجرمانيوم، نيوبات السيليكون، البورات، والفوسفات. نظرًا لسهولة قولبة الزجاج، فإنه يمكن تصنيعه بأحجام كبيرة ويتميز بخصائص مثل نفاذية الضوء العالية والتوحيد العالي، مما يجعل من الممكن إنتاج أشعة ليزر عالية الطاقة. كان زجاج الليزر الأرضي النادر المألوف يستخدم بشكل أساسيالنيوديميومالزجاج، الذي يتمتع بتاريخ تطوير يزيد عن 40 عامًا وتكنولوجيا إنتاج وتطبيق ناضجة. لقد كانت دائمًا المادة المفضلة لأجهزة الليزر عالية الطاقة وتم استخدامها في الأجهزة التجريبية للاندماج النووي وأسلحة الليزر. أجهزة الليزر عالية الطاقة المصنوعة في الصين، تتكون من الليزرالنيوديميومالزجاج باعتباره وسيلة الليزر الرئيسية، وصلت إلى المستوى المتقدم في العالم. 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 خصائصهاالنيوديميومزجاج. نظرًا لحقيقة أن التلألؤ المخدر بالإيتربيوم يحتوي على مستويين للطاقة فقط، فإن كفاءة تخزين الطاقة عالية. وبنفس المكسب، يتمتع زجاج الإيتربيوم بكفاءة تخزين طاقة أعلى بـ 16 مرة من زجاج النيوديميوم، وعمر تألق 3 أضعاف زجاج النيوديميوم. كما أنها تتمتع بمزايا مثل التركيز العالي للمنشطات، وعرض نطاق الامتصاص، ويمكن ضخها مباشرة بواسطة أشباه الموصلات، مما يجعلها مناسبة جدًا لليزر عالي الطاقة. ومع ذلك، فإن التطبيق العملي لزجاج ليزر الإيتربيوم يعتمد غالبًا على مساعدة النيوديميوم، مثل استخدام Nd3+ كمحسس لجعل زجاج ليزر الإيتربيوم يعمل في درجة حرارة الغرفة ويتم تحقيق انبعاث الليزر عند الطول الموجي m. لذا فإن الإيتربيوم والنيوديميوم كلاهما متنافسان وشريكان متعاونان في مجال زجاج الليزر.

من خلال ضبط تركيبة الزجاج، يمكن تحسين العديد من خصائص الإنارة لزجاج ليزر الإيتربيوم. مع تطور الليزر عالي الطاقة باعتباره الاتجاه الرئيسي، يتم استخدام الليزر المصنوع من زجاج ليزر الإيتربيوم على نطاق واسع بشكل متزايد في الصناعة الحديثة والزراعة والطب والبحث العلمي والتطبيقات العسكرية.

الاستخدام العسكري: إن استخدام الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي كطاقة كان دائمًا هدفًا متوقعًا، وسيكون تحقيق الاندماج النووي الخاضع للرقابة وسيلة مهمة للبشرية لحل مشاكل الطاقة. أصبح زجاج الليزر المخدر بالإيتربيوم هو المادة المفضلة لتحقيق ترقيات الاندماج بالقصور الذاتي (ICF) في القرن الحادي والعشرين بسبب أداء الليزر الممتاز.

تستخدم أسلحة الليزر الطاقة الهائلة لشعاع الليزر لضرب الأهداف وتدميرها، مما يولد درجات حرارة تصل إلى مليارات الدرجات المئوية ويهاجم بشكل مباشر بسرعة الضوء. يمكن الإشارة إليها باسم Nadana وتتميز بقدرة فتك كبيرة، ومناسبة بشكل خاص لأنظمة أسلحة الدفاع الجوي الحديثة في الحرب. إن الأداء الممتاز لزجاج الليزر المغطى بالإيتربيوم جعله مادة أساسية مهمة لتصنيع أسلحة الليزر عالية الطاقة والأداء.

يعد ليزر الألياف تقنية جديدة سريعة التطور وينتمي أيضًا إلى مجال تطبيقات الليزر على الزجاج. ليزر الألياف هو ليزر يستخدم الألياف كوسيلة لليزر، وهو نتاج مزيج من تكنولوجيا الألياف والليزر. إنها تقنية ليزر جديدة تم تطويرها على أساس تقنية مضخم ألياف الإربيوم (EDFA). يتكون ليزر الألياف من صمام ثنائي ليزر أشباه الموصلات كمصدر للمضخة، ودليل موجي من الألياف الضوئية ووسيط كسب، ومكونات بصرية مثل الألياف الشبكية والمقرنات. لا يتطلب تعديلًا ميكانيكيًا للمسار البصري، والآلية مدمجة وسهلة التكامل. بالمقارنة مع أجهزة الليزر التقليدية ذات الحالة الصلبة وأشعة ليزر أشباه الموصلات، فهي تتمتع بمزايا تكنولوجية وأداء مثل جودة الشعاع العالية، والاستقرار الجيد، والمقاومة القوية للتدخل البيئي، وعدم التعديل، وعدم الصيانة، والهيكل المدمج. نظرًا لحقيقة أن الأيونات المخدرة هي بشكل أساسي Nd+3، Yb+3، Er+3، Tm+3، Ho+3، وكلها تستخدم أليافًا أرضية نادرة كوسائط كسب، فإن ليزر الألياف الذي طورته الشركة يمكنه أيضًا يسمى ليزر الألياف الأرضية النادرة.

تطبيق الليزر: أصبح ليزر الألياف المزدوج المغطى بالإيتربيوم عالي الطاقة مجالًا ساخنًا في تكنولوجيا ليزر الحالة الصلبة على المستوى الدولي في السنوات الأخيرة. إنها تتميز بمزايا جودة الشعاع الجيدة، الهيكل المدمج، وكفاءة التحويل العالية، ولديها آفاق تطبيق واسعة في المعالجة الصناعية والمجالات الأخرى. تعتبر الألياف المطلية بالإيتربيوم مزدوجة الطبقة مناسبة لضخ ليزر أشباه الموصلات، مع كفاءة اقتران عالية وقدرة خرج ليزر عالية، وهي الاتجاه الرئيسي لتطوير ألياف الإيتربيوم المشبعة. لم تعد تكنولوجيا ألياف الإيتربيوم المخدرة المزدوجة في الصين على قدم المساواة مع المستوى المتقدم للدول الأجنبية. لقد وصلت ألياف الإيتربيوم المطلية بالإيتربيوم، وألياف الإيتربيوم المطلية بطبقة مزدوجة، وألياف الإيتربيوم المطلية بالإربيوم المطورة في الصين إلى المستوى المتقدم من المنتجات الأجنبية المماثلة من حيث الأداء والموثوقية، ولها مزايا من حيث التكلفة، ولديها تقنيات أساسية حاصلة على براءة اختراع لمنتجات وطرق متعددة. .

أعلنت شركة ليزر IPG الألمانية ذات الشهرة العالمية مؤخرًا أن نظام ليزر الألياف المشبع بالإيتربيوم الذي تم إطلاقه حديثًا يتميز بخصائص شعاع ممتازة، وعمر مضخة يزيد عن 50000 ساعة، وطول موجة انبعاث مركزي يبلغ 1070 نانومتر - 1080 نانومتر، وقدرة إنتاج تصل إلى 20 كيلو وات. لقد تم تطبيقه في اللحام الدقيق، القطع، وحفر الصخور.

تعتبر مواد الليزر هي جوهر وأساس تطوير تكنولوجيا الليزر. لقد كان هناك دائمًا قول مأثور في صناعة الليزر مفاده أن "جيل واحد من المواد، وجيل واحد من الأجهزة". لتطوير أجهزة ليزر متقدمة وعملية، من الضروري أولاً امتلاك مواد ليزر عالية الأداء ودمج التقنيات الأخرى ذات الصلة. تعمل بلورات الليزر المخدرة وزجاج الليزر، باعتبارها القوة الجديدة لمواد الليزر الصلبة، على تعزيز التطوير المبتكر لاتصالات الألياف الضوئية وتكنولوجيا الليزر، وخاصة في تقنيات الليزر المتطورة مثل ليزر الاندماج النووي عالي الطاقة، والنبض عالي الطاقة. ليزر البلاط، وأشعة الليزر عالية الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الإيتربيوم أيضًا كمنشط لمسحوق الفلورسنت، والسيراميك الراديوي، والمواد المضافة لمكونات ذاكرة الكمبيوتر الإلكترونية (الفقاعات المغناطيسية)، ومضافات الزجاج البصري. تجدر الإشارة إلى أن الإيتريوم والإيتريوم كلاهما من العناصر الأرضية النادرة. على الرغم من وجود اختلافات كبيرة في الأسماء الإنجليزية ورموز العناصر، فإن الأبجدية الصوتية الصينية لها نفس المقاطع. في بعض الترجمات الصينية، يُشار أحيانًا إلى الإيتريوم عن طريق الخطأ باسم الإيتريوم. في هذه الحالة، نحتاج إلى تتبع النص الأصلي ودمج رموز العناصر للتأكيد.