ธาตุหายากมหัศจรรย์: ทูเลียม

เลขอะตอมของธาตุทูเลียมมีค่าเท่ากับ 69 และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 168.93421 ปริมาณธาตุในเปลือกโลกมี 2 ใน 3 ของ 100,000 ซึ่งถือเป็นธาตุที่มีน้อยที่สุดในบรรดาธาตุหายาก ธาตุหายากมีอยู่ในแร่ซิลิกอนเบริลเลียม อิตเทรียม แร่ทองคำหายากสีดำ แร่ฟอสฟอรัส อิตเทรียม และมอนาไซต์ เศษส่วนมวลของธาตุหายากในมอนาไซต์โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 50% โดยทูเลียมคิดเป็น 0.007% ไอโซโทปเสถียรตามธรรมชาติมีเพียงทูเลียม 169 เท่านั้น ใช้กันอย่างแพร่หลายในแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการผลิตพลังงานความเข้มสูง เลเซอร์ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง และสาขาอื่นๆ

การค้นพบประวัติศาสตร์

ค้นพบโดย: พีที เคลฟ

ค้นพบเมื่อ พ.ศ. 2421

หลังจากที่มอสแซนเดอร์แยกเออร์เบียมเอิร์ธและเทอร์เบียมเอิร์ธออกจากอิตเทรียมเอิร์ธในปี พ.ศ. 2385 นักเคมีหลายคนใช้การวิเคราะห์สเปกตรัมเพื่อระบุและกำหนดว่าออกไซด์เหล่านี้ไม่ใช่ออกไซด์บริสุทธิ์ของธาตุ ซึ่งทำให้บรรดานักเคมียังคงแยกออกไซด์เหล่านี้ต่อไป หลังจากแยกอิตเทอร์เบียมออกไซด์และสแกนเดียมออกไซด์จากเหยื่อที่ถูกออกซิไดซ์ คลิฟฟ์ได้แยกออกไซด์ธาตุใหม่ 2 ชนิดออกในปี พ.ศ. 2422 โดยออกไซด์ชนิดหนึ่งถูกตั้งชื่อว่าทูเลียมเพื่อรำลึกถึงบ้านเกิดของคลิฟฟ์ในคาบสมุทรสแกนดิเนเวีย (ทูเลีย) โดยมีสัญลักษณ์ธาตุคือ Tu และปัจจุบันคือ Tm ด้วยการค้นพบทูเลียมและธาตุหายากชนิดอื่นๆ การค้นพบธาตุหายากขั้นที่สามอีกครึ่งหนึ่งจึงเสร็จสมบูรณ์

โครงสร้างอิเล็กตรอน

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

โลหะ

ทูเลียมเป็นโลหะสีขาวเงิน มีความเหนียวและสามารถตัดเปิดด้วยมีดได้เนื่องจากมีเนื้อนุ่ม จุดหลอมเหลว 1,545 °C จุดเดือด 1,947 °C ความหนาแน่น 9.3208

ทูเลียมค่อนข้างเสถียรในอากาศทูเลียมออกไซด์เป็นผลึกสีเขียวอ่อน ออกไซด์ของเกลือ (เกลือไดวาเลนต์) ทั้งหมดมีสีเขียวอ่อน

แอปพลิเคชัน

แม้ว่าทูเลียมจะค่อนข้างหายากและมีราคาแพง แต่ก็ยังมีการประยุกต์ใช้ในสาขาเฉพาะอยู่บ้าง

แหล่งกำเนิดแสงปล่อยประจุความเข้มสูง

ทูเลียมมักถูกนำเข้าสู่แหล่งกำเนิดแสงแบบปล่อยประจุความเข้มสูงในรูปแบบของฮาไลด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (โดยทั่วไปคือทูเลียมโบรไมด์) โดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้ประโยชน์จากสเปกตรัมของทูเลียม 

เลเซอร์

เลเซอร์พัลส์โซลิดสเตตที่ผสมอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต (Ho:Cr:Tm:YAG) สามชนิดสามารถผลิตได้โดยใช้ไอออนทูเลียม ไอออนโครเมียม และไอออนโฮลเมียมในอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต ซึ่งสามารถปล่อยคลื่นความยาวคลื่น 2097 นาโนเมตร ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการทหาร การแพทย์ และอุตุนิยมวิทยา ความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์พัลส์โซลิดสเตตที่ผสมอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต (Tm:YAG) ที่ผสมทูเลียม (Tm:YAG) มีช่วงตั้งแต่ 1930 นาโนเมตรถึง 2040 นาโนเมตร การทำลายเนื้อเยื่อบนพื้นผิวมีประสิทธิผลมาก เนื่องจากสามารถป้องกันไม่ให้เลือดแข็งตัวมากเกินไปในอากาศและน้ำ ทำให้เลเซอร์ทูเลียมมีศักยภาพอย่างมากในการนำไปใช้ในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์พื้นฐาน เลเซอร์ทูเลียมมีประสิทธิภาพมากในการทำลายเนื้อเยื่อบนพื้นผิวเนื่องจากมีพลังงานต่ำและมีพลังทะลุทะลวง และสามารถแข็งตัวได้โดยไม่ทำให้เกิดบาดแผลลึก ซึ่งทำให้เลเซอร์ทูเลียมมีศักยภาพอย่างมากในการนำไปประยุกต์ใช้ในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์

เลเซอร์ที่โด๊ปด้วยทูเลียม

แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์

แม้ว่าจะมีราคาสูง แต่เครื่องเอ็กซ์เรย์พกพาที่มีทูเลียมก็เริ่มถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีในปฏิกิริยานิวเคลียร์ แหล่งกำเนิดรังสีเหล่านี้มีอายุการใช้งานประมาณหนึ่งปี และสามารถใช้เป็นเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์และทันตกรรม รวมถึงเครื่องมือตรวจจับข้อบกพร่องสำหรับส่วนประกอบทางกลและอิเล็กทรอนิกส์ที่ยากต่อการเข้าถึงด้วยกำลังคน แหล่งกำเนิดรังสีเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันรังสีมากนัก เพียงใช้ตะกั่วในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น การใช้ทูเลียม 170 เป็นแหล่งกำเนิดรังสีสำหรับการรักษามะเร็งระยะใกล้กำลังแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ไอโซโทปนี้มีครึ่งชีวิต 128.6 วัน และมีเส้นการปล่อยรังสี 5 เส้นที่มีความเข้มข้นสูง (7.4, 51.354, 52.389, 59.4 และ 84.253 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์) ทูเลียม 170 ยังเป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดรังสีทางอุตสาหกรรมสี่ประเภทที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดอีกด้วย

วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ทูเลียมยังใช้ในตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงเช่นเดียวกับอิตเทรียม ทูเลียมมีศักยภาพในการนำไปใช้ในเฟอร์ไรต์ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กเซรามิกที่ใช้ในอุปกรณ์ไมโครเวฟ ทูเลียมมีสเปกตรัมเฉพาะตัว จึงสามารถนำไปใช้กับหลอดไฟอาร์ก เช่น สแกนเดียมได้ และแสงสีเขียวที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟอาร์กที่ใช้ทูเลียมจะไม่ถูกบดบังด้วยเส้นการเปล่งแสงของธาตุอื่น เนื่องจากทูเลียมสามารถเปล่งแสงสีน้ำเงินภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลตได้ จึงใช้ทูเลียมเป็นสัญลักษณ์ต่อต้านการปลอมแปลงในธนบัตรยูโรด้วย แสงสีน้ำเงินที่เปล่งออกมาจากแคลเซียมซัลเฟตที่เติมทูเลียมเข้าไปนั้นใช้ในการตรวจวัดปริมาณรังสีส่วนบุคคล

การใช้งานอื่น ๆ

เนื่องจากสเปกตรัมที่เป็นเอกลักษณ์ ทำให้ทูเลียมจึงสามารถนำไปใช้ในการให้แสงสว่างด้วยหลอดไฟอาร์ก เช่น สแกนเดียม และแสงสีเขียวที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟอาร์กที่มีทูเลียมจะไม่ถูกบดบังด้วยเส้นเปล่งแสงของธาตุอื่น

ทูเลียมจะเปล่งแสงสีน้ำเงินภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้เป็นหนึ่งในสัญลักษณ์ต่อต้านการปลอมแปลงในธนบัตรยูโร

ยูโรภายใต้การฉายรังสี UV พร้อมเครื่องหมายป้องกันการปลอมแปลงที่ชัดเจนที่มองเห็นได้