ネオジム

ネオジム、  60 Nd
ガラス管に入った銀色の金属片
ガラス瓶に入ったネオジム金属
ネオジム
発音/ ˌ niː oʊ ˈ d ɪ m i ə m /​ ⓘ
外観銀白色
標準原子量 A r °(Nd)
  • 144.242 ± 0.003 [1]
  • 144.24 ± 0.01  （要約）[2]
周期表におけるネオジム
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
–
↑
Nd
↓
U
プラセオジム←ネオジム→プロメチウム
原子番号 （Z）60
グループfブロックグループ（番号なし）
期間6期
ブロック  fブロック
電子配置[ Xe ] 4f 4 6s 2
殻あたりの電子数2、8、18、22、8、2
物理的特性
STPでの 位相固体
融点1295  K (1022 °C, 1872 °F) [3]
沸点3347 K (3074 °C、5565 °F)
密度（20℃）7.007 g/cm 3  [3]
液体の場合（  mp）6.89 g/cm 3
融解熱7.14  kJ/モル
蒸発熱289 kJ/モル
モル熱容量27.45 J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 159517741998（2296）（2715）（3336）
原子の性質
酸化状態共通: +3
0、[4] +2、[5] +4
電気陰性度ポーリングスケール：1.14
イオン化エネルギー
  • 1位: 533.1 kJ/mol
  • 2番目: 1040 kJ/モル
  • 3位: 2130 kJ/mol
原子半径経験的: 午後181時
共有結合半径午後201±6時
スペクトル範囲における色の線
ネオジムのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造二重六方最密充填（DHCP）（HP4）
格子定数
ネオジムの二重六方最密充填結晶構造
a  = 0.36583 nm
c  = 1.17968 nm (20℃) [3]
熱膨張6.7 × 10 −6 /K（20℃）[3] [a]
熱伝導率16.5 W/(m⋅K)
電気抵抗率ポリ: 643 nΩ⋅m
磁気秩序常磁性、20K以下では反強磁性[6]
モル磁化率+5 628 .0 × 10 -6  cm 3 /mol (287.7 K) [7]
ヤング率41.4 GPa
せん断弾性率16.3 GPa
体積弾性率31.8 GPa
音速の 細い棒2330 m/s（20℃）
ポアソン比0.281
ビッカース硬度345～745 MPa
ブリネル硬度265～700MPa
CAS番号7440-00-8
歴史
ネーミングギリシャ語の νέος (「新しい」) と δίδυμος (ランタンの) 「双子」にちなんで
発見カール・グスタフ・モサンダー（1841）
最初の隔離カール・アウアー・フォン・ヴェルスバッハ（1885）
命名者カール・アウアー・フォン・ヴェルスバッハ（1885）
ネオジムの同位体
主な同位体[8]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
140 Ndシンセ3.37日β +140 Pr
142 Nd27.2%安定した
143 Nd12.2%安定した
144 Nd23.8%2.29 × 10 15 年α西暦140年
145 Nd8.3%安定した
146 Nd17.2%安定した
147 Ndシンセ10.98日β −午後1時47分
148 Nd5.80%安定した
150 Nd5.60%9.3 × 10 18 年β − β −150平方メートル
 カテゴリー: ネオジム
|参照

ネオジムは化学元素であり、記号 Ndで原子番号60で表されます。ランタノイドシリーズの4番目のメンバーであり、希土類金属の1つと考えられています。硬く、やや展性のある銀色の金属で、空気中や湿気の中ですぐに変色します。酸化されると、ネオジムは急速に反応し、+2、+3、+4の酸化状態でピンク、紫/青、黄色の化合物を生成します。一般的に、元素の中で最も複雑なスペクトルの1つを持つと考えられています。 [9]ネオジムは1885年にオーストリアの化学者カール・アウアー・フォン・ウェルスバッハによって発見され、彼はプラセオジムも発見しました。ネオジムは、鉱物のモナズ石とバストネサイトの中に大量に含まれています。ネオジムは、金属の形や他のランタノイドと混ざっていない状態では自然には見つかりませんので、通常は一般使用のために精製されます。ネオジムはコバルト、ニッケル、銅と同じくらい一般的であり、地殻に広く分布しています。[10]世界の商業用ネオジムのほとんどは、他の多くの希土類金属と同様に中国で採掘されています。

ネオジム化合物は1927年に初めてガラス染料として商業的に使用され、現在でも人気の添加剤です。ネオジム化合物の色はNd 3+ イオンに由来し、多くの場合赤紫色です。この色は、ネオジムの鋭い光吸収帯と、水銀、三価ユーロピウム、またはテルビウムの鋭い可視発光帯が豊富な周囲光との相互作用により、照明の種類によって変化します。ネオジムを添加したガラスは、 1047～1062ナノメートルの波長の赤外線を放射するレーザーに使用されています。これらのレーザーは、慣性閉じ込め核融合などの極めて高出力の用途に使用されています。ネオジムは、 Nd:YAGレーザーのイットリウムアルミニウムガーネットなど、他のさまざまな基板結晶とも使用されます。

ネオジム合金は、強力な永久磁石である高強度ネオジム磁石の製造に使用されます。[11]これらの磁石は、マイク、プロ用スピーカー、インイヤーヘッドホン、高性能趣味用DC電気モーター、コンピューターハードディスクなど、低い磁石質量（または体積）または強い磁場が求められる製品に広く使用されています。大型のネオジム磁石は、パワーウェイトレシオの高い電気モーター（例：ハイブリッドカー）や発電機（例：航空機や風力タービン発電機）に使用されます。[12]

物理的特性

金属ネオジムは、明るい銀色の金属光沢を有する。[13]ネオジムは一般に2つの同素体として存在し、約863 °Cで二重六方晶から体心立方構造への変態が起こる。 [14]ネオジムは、ほとんどのランタノイドと同様に、室温では常磁性である。20 K (-253.2 °C) 以下に冷却すると反強磁性体となる。 [15]この転移温度以下では、長いスピン緩和時間とスピングラス挙動を示す複雑な磁気相のセット[16] [17]を示す。 [18]ネオジムは、古典的なミッシュメタル中に約18%の濃度で存在していた希土類金属である。ネオジム磁石を作るには、強磁性体である鉄と合金にする。[19]

電子配置

ネオジムはランタノイド系列の4番目の元素です。周期表では、左側のランタノイドプラセオジムと右側の放射性元素プロメチウムの間、アクチノイドウランの上に位置します。60個の電子は[Xe]4f46s2の配置で配置され、そのうち6個の4f電子と6s電子は価電子です。ランタノイド系列の他のほとんどの金属と同様に、ネオジムは通常3個の電子のみを価電子として使用します。残りの4f電子は強く結合するためです。これは、4f軌道が不活性キセノンの電子核を最も多く貫通して原子核に到達し、次いで5d軌道と6s軌道が貫通するためです。この貫通率はイオン電荷が大きいほど高くなります。ネオジムはランタノイドの初期段階にあるため、4番目の電子を失う可能性があります。この段階では原子核の電荷はまだ十分に低く、4fサブシェルのエネルギーは価電子をさらに除去するのに十分に高いためです。[20]

化学的性質

ネオジムの融点は1,024℃（1,875℉）、沸点は3,074℃（5,565℉）である。他のランタノイド元素と同様に、通常は酸化状態が+3であるが、+2および+4の酸化状態をとることもあり、非常に稀ではあるが+0の酸化状態をとることもある。[4]ネオジム金属は常温で急速に酸化し、 [14]鉄錆のような酸化層を形成する。この酸化層は剥離し、金属がさらなる酸化にさらされる可能性がある。1センチメートルサイズのネオジムサンプルは約1年で完全に腐食する。Nd3 +は一般に水に溶ける。近隣のプラセオジムと同様に、約150℃で容易に燃焼して酸化ネオジム(III)を形成する。この酸化物は剥離し、バルク金属がさらなる酸化にさらされる。[14]

4Nd + 3O 2 → 2Nd 2 O 3

ネオジムは電気陽性元素であり、冷水とはゆっくりと反応し、熱水とは急速に反応して水酸化ネオジム(III)を形成する。[21]

2Nd (s) + 6H 2 O (l) → 2Nd(OH) 3 (aq) + 3H 2 (g)

ネオジム金属はすべての安定したハロゲンと激しく反応する：[21]

2Nd (s) + 3F 2 (g) → 2NdF 3 (s) [紫色の物質]
2Nd (s) + 3Cl 2 (g) → 2NdCl 3 (s) [藤色の物質]
2Nd (s) + 3Br 2 (g) → 2NdBr 3 (s) [紫色の物質]
2Nd (s) + 3I 2 (g) → 2NdI 3 (s) [緑色の物質]

ネオジムは希硫酸に容易に溶解し、ライラック色のNd(III)イオンを含む溶液を形成する。これらは[Nd(OH 2 ) 9 ] 3+錯体として存在する：[22]

2Nd (秒) + 3H 2 SO 4 (水溶液) → 2Nd 3+ (水溶液) + 3SO2−4(水溶液) + 3H 2 (ガス)

化合物

硫酸ネオジム(III)
酢酸ネオジム粉末
ネオジム(III)水酸化物粉末

最も重要なネオジム化合物には以下のものがあります。

ネオジム化合物の中には、照明の種類によって色が変化するものがあります。[23]

  • 蛍光灯中のネオジム化合物 - 左から右へ、硫酸塩、硝酸塩、塩化物
    蛍光灯中のネオジム化合物- 左から右へ、硫酸塩、硝酸塩、塩化物
  • コンパクト蛍光灯の光に含まれるネオジム化合物
    コンパクト蛍光灯の光に含まれるネオジム化合物
  • 通常の日光下でのネオジム化合物
    通常の日光下でのネオジム化合物

有機ネオジム化合物

有機ネオジム化合物は、ネオジム-炭素結合を有する化合物です。これらの化合物は他のランタノイド化合物と同様に、 πバックボンディングを起こさないという特徴があります。そのため、主にイオン性のシクロペンタジエニド（ランタンの化合物と同構造）と、σ結合した単純なアルキルおよびアリールに限定され、その一部はポリマー化することもあります。[24]

同位体

ネオジムの 同位体（60 Nd）
主な同位体[8]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
140 Ndシンセ3.37日β +140 Pr
142 Nd27.2%安定した
143 Nd12.2%安定した
144 Nd23.8%2.29 × 10 15 年α西暦140年
145 Nd8.3%安定した
146 Nd17.2%安定した
147 Ndシンセ10.98日β −午後1時47分
148 Nd5.80%安定した
150 Nd5.60%9.3 × 10 18 年β − β −150平方メートル
標準原子量 A r °(Nd)
  • 144.242 ± 0.003 [1]
  • 144.24 ± 0.01  （要約）[2]

天然に存在するネオジム（60 Nd）は、5つの安定同位体（142 Nd、143 Nd、145 Nd、146 Nd、148 Nd）で構成されており、142 Ndが最も豊富（天然存在比の27.2% ）です。また、半減期が非常に長い2つの放射性同位体、 144 Nd（アルファ崩壊で半減期（t 1/2）が2.29 × 10 15年）および150 Nd（二重ベータ崩壊、t 1/2  ≈ネオジムの放射性同位体は、2022年現在までに合計35種類検出されており、最も安定しているのは天然に存在する144 Ndと150 Ndです。残りの放射性同位体はすべて半減期が12日未満で、そのほとんどは70秒未満です。最も安定な人工同位体は147 Ndで、半減期は10.98日です。

ネオジムには15種類の準安定同位体も知られており、最も安定しているのは139m Nd（t 1/2  = 5.5時間）、135m Nd（t 1/2  = 5.5分）、133m1 Nd（t 1/2約70秒）である。最も豊富な安定同位体である142 Ndの前の主な崩壊モードは電子捕獲崩壊と陽電子崩壊であり、142 Ndの後の主なモードはベータマイナス崩壊である。142 Ndの前の主な崩壊生成物はプラセオジム同位体であり、142 Ndの後の主な生成物はプロメチウム同位体である。[25] 5種類の安定同位体のうち4種類は観測的にのみ安定しており、これは放射性崩壊を起こすことが予想されるが、半減期が十分に長いため実用的には安定していると考えられることを意味する。[26]さらに、観測的に安定なサマリウム同位体のいくつかはネオジム同位体に崩壊すると予測されている。[26]

ネオジム同位体は様々な科学用途に利用されています。142 Ndは、ツリウムおよびイッテルビウムの短寿命同位体の製造に利用されています。146 Ndは、放射能源である147 Pmの製造に利用されることが示唆されています。いくつかのネオジム同位体は、他のプロメチウム同位体の製造にも利用されています。147 Smからの崩壊（t 1/2  =安定な143 Ndに対する1.06 × 10 11  yのイオン化により、サマリウム-ネオジム年代測定が可能になります。[27] 150 Ndは二重ベータ崩壊の研究にも使用されています。[28]

歴史

カール・アウアー・フォン・ウェルスバッハ（1858-1929）は1885年にネオジムを発見した[29]

1751年、スウェーデンの鉱物学者アクセル・フレドリック・クロンステットはバストネス鉱山で重鉱物を発見し、後にセライトと名付けられた。30年後、鉱山所有者の家族の一員であった15歳のヴィルヘルム・ヒジンガーはサンプルをカール・シェーレに送ったが、新しい元素は見つかりませんでした。1803年、鉄工所の技術者となったヒジンガーはイェンス・ヤコブ・ベルセリウスと共に再びこの鉱物の研究を行い、新しい酸化物を単離し、2年前に発見された準惑星ケレスにちなんでセリアと名付けた。 [30]セリアはドイツでマルティン・ハインリヒ・クラプロートによって同時に独立に単離された。[31] 1839年から1843年の間に、ベルセリウスと同じ家に住んでいたスウェーデンの外科医で化学者のカール・グスタフ・モサンダーによってセリアが酸化物の混合物であることが示された。彼はさらに2つの酸化物を分離し、ランタナとジジミアと名付けた。[32] [33] [34]彼は硝酸セリウムのサンプルを空気中で焙焼し、得られた酸化物を希硝酸で処理することで部分的に分解した。これらの酸化物を形成した金属はランタンとジジミウムと名付けられた。[35]ジジミウムは、 1885年にウィーンでカール・アウアー・フォン・ウェルスバッハによってプラセオジムとネオジムの2つの元素に分割されたときに、単一の元素ではないことが証明された。[36] [37]フォン・ウェルスバッハは分光分析によって分離を確認したが、生成物の純度は比較的低かった。純粋なネオジムは1925年に初めて単離された。ネオジムという名前はギリシャ語のneos (νέος)「新しい」とdidymos (διδύμος)「双子」に由来している。[14] [38] [39]

1950年代までは、複硝酸塩結晶化法がネオジムの商業的精製手段であった。リンゼイ化学部門は、ネオジムの大規模なイオン交換精製を初めて商業化した。1950年代から、高純度（> 99%）のネオジムは、主に希土類元素を豊富に含む鉱物であるモナザイトからイオン交換プロセスによって得られていた。 [14]この金属は、そのハロゲン化物塩の電気分解によって得られる。現在、ほとんどのネオジムはバストネサイトから抽出され、溶媒抽出によって精製されている。イオン交換精製は、最高純度（通常> 99.99%）のために使用される。それ以来、市販のネオジム酸化物の純度の向上とガラス技術全般の進歩により、ガラス技術は向上してきた。ランタノイドを分離する初期の方法は分別結晶化に依存しており、第二次世界大戦後に前述のイオン交換法が開発されるまで、高純度のネオジムを分離することは不可能でした。[40]

発生と生成

発生

バストネサイト

ネオジムは自然界で単体元素として発見されることは稀で、モナザイトやバストネサイト（単一の鉱物ではなく鉱物群）などの鉱石に少量の希土類元素を含む形で存在します。これらの鉱物では、ネオジムが優勢となることは稀ですが、モナザイト（Nd）やコゾイト（Nd）などの例外があります。[41]主な採掘地域は、中国、アメリカ合衆国、ブラジル、インド、スリランカ、オーストラリアです。

Nd 3+イオンは、セリウム族の初期のランタノイド（ランタンからサマリウム、ユーロピウムまで）のイオンと大きさが似ています。そのため、モナザイト（M III PO 4）やバストネサイト（M III CO 3 F）などのリン酸塩鉱物、ケイ酸塩鉱物、炭酸塩鉱物にこれらの元素とともに含まれる傾向があります。ここで、Mはスカンジウムと放射性プロメチウム（主にCe、La、Yで、PrとNdはやや少ない）を除くすべての希土類金属を指します。 [42]バストネサイトには、通常、トリウムと重ランタノイドが不足しており、バストネサイトから軽ランタノイドを精製するのは、モナザイトから精製するほど複雑ではありません。鉱石は粉砕および磨砕された後、まず高温の濃硫酸で処理され、二酸化炭素、フッ化水素、四フッ化ケイ素が遊離します。その後、生成物は乾燥され、水で浸出され、ランタンを含む初期のランタニドイオンが溶液中に残る。[42] [検証失敗]

太陽系の組成比[43]
原子
番号		要素相対
量
42モリブデン2.771
47銀0.590
50錫4.699
58セリウム1.205
59プラセオジム0.205
60ネオジム1
74タングステン0.054
90トリウム0.054
92ウラン0.022

宇宙で

太陽系におけるネオジムの1粒子あたりの含有量は0.083ppb（10億分の1）である。 [43] [b]この数値はプラチナの約3分の2であるが、水銀の2.5倍、金の約5倍である。[43]ランタノイドは通常宇宙には存在せず、地球の地殻にはるかに多く存在する。[43] [44]

地球の地殻の中で

一般的に右下がりの折れ線グラフ
ネオジムは希土類金属の一種で、地殻に比較的多く存在する元素です。しかし、他の希土類金属はそれほど多く存在しません。

ネオジムはゴールドシュミット分類では親石性元素に分類され、一般的に酸素と結合して存在することを意味します。希土類金属に属しますが、決して希少ではありません。地殻中の含有量は約41mg/kgです。[44]ランタンと同程度です。

生産

ネオジムの世界生産量は2004年で約7,000トンであった。[38]現在の生産量の大半は中国で生産されている。歴史的に、中国政府はこの元素に対して戦略物資の規制を課しており、価格に大きな変動が生じていた。[45]価格と入手可能性の不確実性から、企業（特に日本の企業）は希土類金属の使用量を減らして永久磁石や関連する電気モーターを製造しているが、今のところネオジムの必要性をなくすことはできていない。[46] [47]米国地質調査所によると、グリーンランドは未開発の希土類金属鉱床、特にネオジムの埋蔵量が最大である。採掘過程で放射性物質、主にトリウムが放出されるため、これらの地域では採掘権と先住民の衝突が起きている。 [48]

ネオジムは、軽希土類元素鉱物であるバストネサイトおよびモナザイトの商業鉱床の希土類元素含有量の10～18%を占めるのが一般的です。[14]ネオジム化合物は三価ランタノイドの中で最も強い色を呈するため、競合する発色団が存在しない場合は、希土類鉱物の色を支配することがあります。通常はピンク色になります。その顕著な例としては、ボリビアのリャラグアにある錫鉱床のモナザイトの結晶、カナダのケベック州モンサンティレールのアンシライト、ペンシルバニア州ローワーソーコン郡区のランタナイトなどがあります。ネオジムガラスと同様に、このような鉱物は異なる照明条件下で色が変わります。ネオジムの吸収帯は水銀蒸気の可視発光スペクトルと相互作用し、フィルターされていない短波紫外線により、ネオジム含有鉱物は独特の緑色を反射します。これはモナザイトを含む砂やバストネサイトを含む鉱石で観察できます。[49]

人口増加と産業発展に伴い、希土類元素（ネオジムを含む）などの鉱物資源やその他の重要材料の需要が急速に増加しています。最近では、低炭素社会への要求から、バッテリー、高効率モーター、再生可能エネルギー源、燃料電池などの省エネ技術への需要が高まっています。これらの技術の中で、永久磁石は高効率モーターの製造によく使用され、ネオジム-鉄-ホウ素磁石（Nd 2 Fe 14 B焼結結合磁石。以下、 NdFeB磁石と略す）は発明以来、市場で主流の永久磁石となっています。[50] NdFeB磁石は、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電気自動車、燃料電池車、風力タービン、家電製品、コンピューター、多くの小型民生用電子機器に使用されています。[51]さらに、省エネにも不可欠です。パリ協定の目標達成に向けて、今後NdFeB磁石の需要は大幅に増加すると予想されている。[51]

アプリケーション

磁石

ハードドライブのミューメタルブラケット上のネオジム磁石

ネオジム磁石（合金、Nd 2 Fe 14 B）は、知られている中で最も強力な永久磁石です。数十グラムのネオジム磁石は、自重の1000倍の重量を持ち上げることができ、骨を折るほどの力で噛み合うこともあります。これらの磁石は、サマリウムコバルト磁石よりも安価で軽量、かつ強力です。しかし、ネオジム系磁石は低温で磁力を失い[52]、腐食しやすい[53]のに対し、サマリウムコバルト磁石は腐食しません[54]。そのため、あらゆる面で優れているわけではありません。

ネオジム磁石は、マイク、プロ仕様のスピーカー、ヘッドフォン、ギターやベースの ピックアップ、コンピューターのハードディスクなど、低質量、小容積、あるいは強力な磁場が求められる製品に使用されています。ネオジムは、ハイブリッド車や電気自動車の電動モーター[51]や、一部の商用風力タービンの発電機にも使用されています（「永久磁石」発電機を搭載した風力タービンのみがネオジムを使用しています）。[55]例えば、トヨタ・プリウスの駆動用電動モーターには、1台あたり1キログラム（2.2ポンド）のネオジムが必要です。[12]ネオジム磁石は、純粋な電気自動車のモーターにも広く使用されており、需要の急速な増加を牽引しています。[56]ネオジム磁石は、MRIなどの医療機器や、慢性疼痛や創傷治癒の治療にも使用されています。[57]

ガラス

ベースと内部コーティングを取り除いたネオジムガラス電球。左は蛍光灯、右は白熱灯の 2 種類の光の下にあります。
ディジミウムガラス

ネオジムガラス（Nd:ガラス）は、ガラス溶融物に酸化ネオジム（Nd 2 O 3 ）を添加することで製造されます。日光や白熱灯の下ではラベンダー色に見えますが、蛍光灯の下では淡い青色に見えます。ネオジムは、純粋な紫からワインレッド、温かみのあるグレーまで、様々な色合いのガラスに着色することができます。[58]

精製ネオジムの最初の商業的利用はガラス着色であり、1927年11月にレオ・モーザーによる実験に始まりました。その結果生まれた「アレキサンドライト」ガラスは、今日に至るまでモーザーガラス工房の象徴的な色として残っています。ネオジムガラスは1930年代初頭にアメリカのガラス工房、特にハイジー、フォストリア（「藤」）、ケンブリッジ（「ヘザーブルーム」）、スチューベン（「藤」）によって広く模倣され、フランスのラリックやムラーノなど他のガラス工房でも広く模倣されました。ティフィンの「トワイライト」は1950年から1980年頃まで生産されていました。[59]現在もチェコ共和国、アメリカ合衆国、中国のガラス工房で生産されています。[60]

ネオジムの鋭い吸収帯により、ガラスの色は照明条件によって変化します。日光や黄色の白熱灯の下では赤紫色に、白色蛍光灯の下では青色に、三原色照明の下では緑がかった色になります。金やセレンと組み合わせると赤色が生成されます。ネオジムの発色は原子深部における「禁制」のff遷移に依存するため、化学環境による色への影響は比較的少なく、ガラスの熱履歴の影響を受けません。しかし、最良の色を得るには、ガラスの製造に使用するシリカ中の鉄含有不純物を最小限に抑える必要があります。ff遷移の禁制の性質により、希土類色素はほとんどのd遷移元素によって得られる色素よりも強度が低くなります。そのため、望ましい色の強度を得るには、ガラスに多くの希土類色素を使用する必要があります。モーザーのオリジナルのレシピでは、ガラス溶融物に約5%の酸化ネオジムが使用されていました。これは十分な量であり、モーザーはこれを「希土類元素添加」ガラスと呼んでいました。ネオジムは強塩基であるため、この濃度ではガラスの溶融特性に影響を与え、ガラス中の石灰含有量を調整する必要があった可能性があります。 [61]

ネオジムガラスを透過した光は、非常に鋭い吸収帯を示す。このガラスは天文学の研究において、スペクトル線の較正に用いられる鋭い吸収帯を生成するために用いられている。 [14]また、ナトリウムや蛍光灯による光害の影響を軽減しながら、他の色、特に星雲からの暗赤色の水素アルファ線を透過させる選択的天体フィルターの作成にも用いられている。[62]ネオジムは、ガラスから鉄汚染物質による緑色を除去するためにも用いられている。[63]

Nd:YAGレーザーロッド

ネオジムは、溶接工やガラス吹き工のゴーグルのガラスに着色するために使用される「ジジム」（ネオジムとプラセオジムの塩の混合物を指す）の成分です。鋭い吸収帯が589 nmの強いナトリウム発光を消し去ります。578 nmの黄色の水銀輝線の同様の吸収が、従来の白色蛍光灯の下でネオジムガラスが青色に見える主な原因です。ネオジムとジジムガラスは、屋内写真の色強調フィルター、特に白熱灯の黄色味を除去するフィルターに使用されます。同様に、ネオジムガラスは白熱電球に直接広く使用されるようになっています。これらのランプは、黄色の光を除去するためにガラスにネオジムを含み、より白い光、つまり太陽光に近い光を生み出します。[64]第一次世界大戦中、ジジムミラーは戦場でモールス信号を送信するために使用されたと伝えられています。 [65]ガラスへの使用と同様に、ネオジム塩はエナメルの着色剤として使用されます。[14]

レーザー

低濃度のネオジムイオンを含む特定の透明材料は、赤外線波長（1054～1064 nm）の増幅媒体としてレーザーに使用できる。例えば、 Nd:YAG（イットリウムアルミニウムガーネット）、Nd:YAP（イットリウムアルミニウムペロブスカイト）、[66] Nd:YLF（イットリウムリチウムフルオリド）、Nd:YVO4 （イットリウムオルトバナデート）、Nd:ガラスなどである。ネオジム添加結晶（典型的にはNd:YVO4 ）は高出力赤外線レーザービームを生成し、市販のDPSSハンドヘルドレーザーやレーザーポインターで緑色レーザー光に変換される。[67]

慣性閉じ込め核融合用の極めて強力なレーザーに使用されるネオジム添加ガラス板

三価ネオジムイオンNd 3+は、レーザー放射の発生に使用された最初の希土類元素ランタノイドでした。Nd:CaWO 4レーザーは1961年に開発されました。[68]歴史的に、これは3番目に稼働したレーザーでした（1番目はルビー、2番目はU 3+ :CaFレーザー）。長年にわたり、ネオジムレーザーは応用目的で最も多く使用されるレーザーの一つとなりました。Nd 3+イオンの成功は、そのエネルギー準位構造と、レーザー放射の発生に適した分光特性にあります。1964年、Geusicら[69]は、YAGマトリックスY 3 Al 5 O 12におけるネオジムイオンの作動を実証しました。これは、閾値が低く、優れた機械的特性と温度特性を備えた4準位レーザーです。この材料の光ポンピングには、非コヒーレントフラッシュランプ放射またはコヒーレントダイオードビームを使用することができます。[70]

さまざまな種類のイオン結晶やガラス内のネオジムイオンはレーザー利得媒体として機能し、通常は外部ソースから励起されて「ポンプ」された後、ネオジムイオンの特定の原子遷移から 1064 nm の光を放出します。

英国原子力兵器研究所（AWE）が現在保有するレーザー、HELEN（高エネルギーレーザー内蔵ネオジム）1テラワットのネオジムガラスレーザーは、圧力と温度の中間領域にアクセスでき、弾頭内部の密度、温度、圧力の相互作用をモデル化するためのデータを取得するために使用されている。HELENは約106Kのプラズマを生成し、 そこから放射線の不透明度と透過率を測定することができる。[ 71]

ネオジムガラス固体レーザーは、慣性核融合のための超高出力（テラワット規模）、高エネルギー（メガジュール規模）のマルチビームシステムに用いられます。Nd:ガラスレーザーは通常、レーザー核融合装置において351nmの第三高調波に周波数変調されます。 [72]

他の

ネオジムのその他の用途は次のとおりです。

生物学的役割と注意事項

ネオジム（粉末）
危険
GHSラベル：
GHS02: 可燃性GHS07: 感嘆符
危険
H228、H251、H315、H319
P210、P235、P240、P241、P302+P352、P305+P351+P338 [82]
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
[83]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 3: Liquids and solids that can be ignited under almost all ambient temperature conditions. Flash point between 23 and 38 °C (73 and 100 °F). E.g. gasolineInstability 2: Undergoes violent chemical change at elevated temperatures and pressures, reacts violently with water, or may form explosive mixtures with water. E.g. white phosphorusSpecial hazard W: Reacts with water in an unusual or dangerous manner. E.g. sodium, sulfuric acid
2
3
2
W
ネオジム（固体インゴット）
危険
GHSラベル：
GHS07: 感嘆符
警告
H315、H319、H335
P261、P305+P351+P338 [84]
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
[85]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
2
0
0

ネオジム、ランタン、セリウム、プラセオジムなどの初期のランタノイドは、火山泥岩に生息するメタン酸化細菌（例えばメチルアシディフィラム・フマリオリカム）にとって必須であることが分かっている。[86] [87]ネオジムが他の生物において生物学的役割を果たしていることは知られていない。[88]

ネオジム金属の粉塵は可燃性であり、爆発の危険性がある。ネオジム化合物は、他の希土類金属と同様に、低～中程度の毒性を有するが、その毒性は十分に調査されていない。摂取したネオジム塩は、不溶性よりも可溶性の方が毒性が高いと考えられている。[89]ネオジムの粉塵と塩は、目や粘膜に強い刺激を与え、皮膚にも中程度の刺激を与える。粉塵を吸入すると肺塞栓症を引き起こす可能性があり、蓄積すると肝臓に損傷を与える。ネオジムはまた、特に静脈内投与された場合、抗凝固剤として作用する。[38]

ネオジム磁石は、磁気矯正器具や骨の修復などの医療用途で試験されてきましたが、生体適合性の問題により、広範囲にわたる応用は阻まれています。[90]市販のネオジム磁石は非常に強力で、遠くからでも互いに引き合う可能性があります。慎重に扱わないと、非常に速く、そして強く引き合い、怪我を負う可能性があります。2つの磁石を使用していた際に、50cm離れた場所から磁石が噛み合い、指先を失ったという事例が少なくとも1件記録されています。[91]

これらの強力な磁石のもう一つのリスクは、複数の磁石を飲み込んだ場合、消化管の軟部組織を挟む可能性があることです。これにより、推定1,700件の救急外来受診が発生し[92] 、小型ネオジム磁石の組み立てセットであるバッキーボールシリーズのおもちゃのリコールが必要となりました[92] [93] 。

参照

注記

  1. ^ 熱膨張は異方性である: 各結晶軸のパラメータ(20 °C)はα a  = 4.8 × 10 −6 /K、α c  = 10.5 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 6.7 × 10 −6 /K. [3]
  2. ^ 情報源中の元素含有量は、粒子当たりの表記ではなく、シリコンに対する相対値で記載されている。シリコン10 6部あたりの全元素含有量の合計は2.6682 × 10である。10部、鉛は 3.258 部を構成します。

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  • ネオジム金属の写真と詳細
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