ธาตุดินหายากที่มีมนต์ขลัง: ทูเลียม

เลขอะตอมของธาตุทูเลียมเท่ากับ 69 และน้ำหนักอะตอมคือ 168.93421 ปริมาณในเปลือกโลกคือสองในสามของ 100,000 ซึ่งเป็นธาตุที่มีน้อยที่สุดในบรรดาธาตุหายาก ส่วนใหญ่มีอยู่ในแร่ซิลิโกเบริลเลียมอิตเทรียม แร่ทองคำดินหายากสีดำ แร่ฟอสฟอรัสอิตเทรียม และโมนาไซต์ สัดส่วนมวลของธาตุหายากในโมนาไซต์โดยทั่วไปมีถึง 50% โดยทูเลียมคิดเป็น 0.007% ไอโซโทปเสถียรตามธรรมชาติมีเพียงทูเลียม 169 เท่านั้น ใช้กันอย่างแพร่หลายในแหล่งกำเนิดแสงที่ให้พลังงานความเข้มสูง เลเซอร์ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง และสาขาอื่นๆ

การค้นพบประวัติศาสตร์

ค้นพบโดย: PT Cleve

ค้นพบในปี พ.ศ. 2421

หลังจากที่มอสซันเดอร์แยกดินเออร์เบียมและเทอร์เบียมเอิร์ธออกจากอิตเทรียมเอิร์ธในปี พ.ศ. 2385 นักเคมีจำนวนมากใช้การวิเคราะห์สเปกตรัมเพื่อระบุและพิจารณาว่าพวกมันไม่ใช่ออกไซด์บริสุทธิ์ของธาตุ ซึ่งสนับสนุนให้นักเคมีแยกพวกมันต่อไป หลังจากแยกทางกันอิตเทอร์เบียมออกไซด์และสแกนเดียมออกไซด์จากเหยื่อที่ถูกออกซิไดซ์ Cliff แยกธาตุออกไซด์ใหม่สองตัวในปี พ.ศ. 2422 หนึ่งในนั้นได้รับการตั้งชื่อว่า thulium เพื่อรำลึกถึงบ้านเกิดของ Cliff ในคาบสมุทรสแกนดิเนเวีย (Thulia) โดยมีสัญลักษณ์ธาตุ Tu และตอนนี้ Tm ด้วยการค้นพบทูเลียมและธาตุหายากอื่นๆ อีกครึ่งหนึ่งของขั้นตอนที่สามของการค้นพบธาตุหายากก็เสร็จสมบูรณ์แล้ว

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f13

โลหะ

ทูเลียมเป็นโลหะสีขาวเงินที่มีความเหนียวและสามารถตัดด้วยมีดได้เนื่องจากมีเนื้อนุ่ม จุดหลอมเหลว 1545°C จุดเดือด 1947°C ความหนาแน่น 9.3208

ทูเลียมค่อนข้างเสถียรในอากาศทูเลียมออกไซด์เป็นคริสตัลสีเขียวอ่อน ออกไซด์ของเกลือ (เกลือไดวาเลนต์) มีสีเขียวอ่อนทั้งหมด

แอปพลิเคชัน

แม้ว่าทูเลียมจะค่อนข้างหายากและมีราคาแพง แต่ก็ยังมีการใช้งานบางอย่างในสาขาพิเศษ

แหล่งกำเนิดแสงคายประจุความเข้มสูง

ทูเลียมมักถูกนำมาใช้ในแหล่งกำเนิดแสงที่มีการปล่อยความเข้มสูงในรูปของเฮไลด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (โดยปกติคือทูเลียมโบรไมด์) โดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้สเปกตรัมของทูเลียม 

เลเซอร์

เลเซอร์พัลส์โซลิดสเตตอะลูมิเนียมอิตเทรียมเจือสามชนิด (Ho: Cr: Tm: YAG) สามารถผลิตได้โดยใช้ทูเลียมไอออน โครเมียมไอออน และโฮลเมียมไอออนในอะลูมิเนียมโกเมนอิตเทรียม ซึ่งสามารถปล่อยความยาวคลื่น 2,097 นาโนเมตร; มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการทหาร การแพทย์ และอุตุนิยมวิทยา ความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์พัลส์โซลิดสเตตพัลส์โซลิดสเตตอะลูมิเนียมเจตเทรียมเจือด้วยทูเลียม (Tm: YAG) อยู่ในช่วงตั้งแต่ 1930 นาโนเมตรถึง 2040 นาโนเมตร การระเหยบนพื้นผิวของเนื้อเยื่อมีประสิทธิภาพมาก เนื่องจากสามารถป้องกันไม่ให้ก้อนแข็งตัวลึกเกินไปทั้งในอากาศและในน้ำ ทำให้เลเซอร์ทูเลียมมีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ขั้นพื้นฐาน เลเซอร์ทูเลียมมีประสิทธิภาพมากในการระเหยพื้นผิวเนื้อเยื่อเนื่องจากมีพลังงานต่ำและมีกำลังทะลุทะลวง และสามารถจับตัวเป็นก้อนได้โดยไม่ทำให้เกิดบาดแผลลึก ทำให้เลเซอร์ทูเลียมมีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์

เลเซอร์เจือทูเลียม

แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์

แม้จะมีราคาสูง อุปกรณ์เอ็กซเรย์พกพาที่มีทูเลียมก็เริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งรังสีในปฏิกิริยานิวเคลียร์ แหล่งกำเนิดรังสีเหล่านี้มีอายุการใช้งานประมาณหนึ่งปี และสามารถใช้เป็นเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์และทันตกรรมได้ เช่นเดียวกับเครื่องมือตรวจจับข้อบกพร่องสำหรับชิ้นส่วนเครื่องกลและอิเล็กทรอนิกส์ที่เข้าถึงได้ยากด้วยกำลังคน แหล่งกำเนิดรังสีเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันรังสีมากนัก แต่ต้องใช้ตะกั่วเพียงเล็กน้อยเท่านั้น การใช้ทูเลียม 170 เป็นแหล่งรังสีในการรักษามะเร็งระยะประชิดกำลังแพร่หลายมากขึ้น ไอโซโทปนี้มีครึ่งชีวิต 128.6 วัน และมีเส้นเปล่งแสง 5 เส้นที่มีความเข้มข้นมาก (7.4, 51.354, 52.389, 59.4 และ 84.253 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์) ทูเลียม 170 ยังเป็นหนึ่งในสี่แหล่งกำเนิดรังสีทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุด

วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

เช่นเดียวกับอิตเทรียม ทูเลียมยังใช้ในตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงอีกด้วย ทูเลียมมีค่าศักยภาพในการใช้งานเฟอร์ไรต์ในฐานะวัสดุแม่เหล็กเซรามิกที่ใช้ในอุปกรณ์ไมโครเวฟ เนื่องจากสเปกตรัมที่เป็นเอกลักษณ์ ทูเลียมจึงสามารถนำไปใช้กับแสงของหลอดอาร์คได้ เช่น สแกนเดียม และแสงสีเขียวที่ปล่อยออกมาจากโคมไฟอาร์คที่ใช้ทูเลียมจะไม่ถูกบดบังโดยเส้นเปล่งแสงขององค์ประกอบอื่นๆ เนื่องจากความสามารถในการเปล่งแสงเรืองแสงสีน้ำเงินภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลต ทูเลียมจึงถูกใช้เป็นหนึ่งในสัญลักษณ์ต่อต้านการปลอมแปลงในธนบัตรยูโร แสงเรืองแสงสีน้ำเงินที่ปล่อยออกมาจากแคลเซียมซัลเฟตที่เติมด้วยทูเลียมนั้นใช้ในการวัดปริมาณรังสีส่วนบุคคลเพื่อการตรวจจับปริมาณรังสี

การใช้งานอื่นๆ

เนื่องจากสเปกตรัมที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ทูเลียมจึงสามารถนำไปใช้ในแสงจากโคมไฟอาร์ค เช่น สแกนเดียม และแสงสีเขียวที่ปล่อยออกมาจากโคมไฟอาร์คที่มีทูเลียมจะไม่ถูกบดบังโดยเส้นเปล่งแสงขององค์ประกอบอื่นๆ

ทูเลียมปล่อยแสงเรืองแสงสีน้ำเงินภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้เป็นหนึ่งในสัญลักษณ์ต่อต้านการปลอมแปลงในธนบัตรยูโร

ยูโรภายใต้การฉายรังสี UV โดยมีเครื่องหมายป้องกันการปลอมแปลงที่ชัดเจนมองเห็นได้