67 钬消灭结石的元素

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2019/6/11
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激光器,顺磁
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Author:Peng Li

本文作者漂泊

钬是一种重要的稀土元素，它在我们日常生活中最重要的用途是用于制造钬激光器。钬激光器在医疗领域应用非常广泛，它常用于处理结石，特别是无法用体外冲击波破碎的肾结石、输尿管结石及膀胱结石。钬激光器的发明对于保护我们的身体健康有着非常重要的意义。

钬的基本物理性质

分类	第ⅢB族▪金属（镧系元素）
原子序号・原子量	67(164.930)
电子配置	4f¹¹6s²
密度	8.7947g/cm³
熔点	1474°C
沸点	2695°C
色・形状	银白色金属
丰度	1.4ppm（地壳）
发现者	Jacques-Louis Soret , Marc Delafontaine , Per Teodor Cleve
主要的同位素	¹⁶⁵Ho
用途例	钬激光器，光学标准
前后的元素	镝-钬-铒

钬的发现

1787年，瑞典矿物学家Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近一个叫Ytterby的小村庄附近的老采石场碰到了一块像沥青一样的黑色矿石，他以村庄的名字将该矿石命名为Yteerby(实际为硅铍钇矿)。他以为自己发现了一种新的钨矿石，然后把样本交到了住在芬兰的Johan Gadolin。在1794年，Gadolin宣布它包含一种新的“钇土”，构成了其重量的38%，即氧化钇（Y₂O₃），在将其用木炭加热后也没能进一步还原。Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”。Friedrich Wöhler在1828年首次通过氯化钇和钾反应制得并分离出钇的单质。1843年，Carl Mosander更加彻底的研究了已发现的“钇土”，发现它是混合物，由三种氧化物组成：氧化钇，是白色的；氧化铽，是黄色的；还有氧化铒，是玫瑰红色的。

研究人员后续又对这几种氧化物进行了更细致的研究： de Marignac从玫瑰红色的铒土中，通过局部分解硝酸盐的方式，得到了一种不同于铒土的白色氧化物，他将这种氧化物命名为镱土；L.F.Nilson在按照de Marignac的方法对铒土进行提纯时，发现测定的镱的原子量与de Marignac测得的数值存在差异，他结合光谱分析的结果，发现了新元素钪。但是铒土中似乎还存在未发现的新元素，吸引着人们继续进行研究。

1878年，Jacques-Louis Soret 和 Marc Delafontaine 在铒土的吸收谱带上发现了一个异常的吸收峰，次年，Per Teodor Cleve 从铒土中分离出了两个新元素，其中一个就被命名为Holmium，以纪念Per Teodor Cleve的出生地——瑞典首都斯德哥尔摩（古代拉丁名称为Holmia），元素符号记为Ho，中文名称为钬。^[1-5]

金属钬

钬激光

钬激光器是一种医疗领域应用广泛的激光器，它在临床上常用于碎石（除去结石）。特别是用于处理体外冲击波碎石法无法碎解的、坚硬的肾结石、输尿管结石和膀胱结石。

钬激光器是一种以钇铝石榴石为工作介质，掺杂铬离子，铥离子和钬离子制成的脉冲固体激光器。其中，铬离子是作为敏化离子，铥离子是作为传能离子，而钬离子则是作为激活离子。在高压氙灯的激发下，掺杂过的钇铝石榴石机会发射出激光。医生将纤细的光纤借助膀胱镜和输尿管软镜经尿道、输尿管直抵膀胱结石、输尿管结石和肾结石部位，激光通过光纤进行传导，在末端与结石产生水汽化的现象，出现很多小空气泡，最终使得结石汽化性粉碎，从而治疗结石。

由于钬激光发热较少，不会产生过多的热量，因而可以减少对健康组织造成的热损伤。此外，钬激光在水中还有很高的吸收系数，因为组织主要由水组成，所以主要的能量集中在表层，使钬激光具有极好的切割能力和组织切除能力，在组织切割过程中可以对直径仅为1mm的血管也可以进行止血。^[6-8]

钬激光器

钬的其他用途

氧化钬是目前已知的顺磁性最强的物质之一，随着照明条件的不同，它的颜色也会发生一些变化：在自然光照射下，氧化钬是淡黄色的；而在冷阴极荧光灯照射下，氧化钬则是橙红色的。这一颜色变化主要与钬的尖锐吸收带有关。将4%的氧化钬溶解在10%的高氯酸中，永久性的融合到石英比色皿中可以作为分光光度剂的校正标准，它在200-900nm范围内有尖锐的吸收峰。

钬还可以用作金属卤素灯添加剂，添加碘化钬可以在电弧区可以获得较高的金属原子浓度，从而大大提高了辐射效率，使得发光更加明亮。在磁致伸缩合金Terfenol-D中，加入少量的钬，则可以降低合金饱和磁化所需的外磁场。此外，掺钬的光纤还可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等通讯器件。^[9-10]

不同光照条件下的氧化钬，左：自然光；右：冷荧光氧化钬光学标准

参考文献

[1]Jacques-Louis Soret (1878).“Sur les spectres d’absorption ultra-violets des terres de la gadolinite”.Comptes rendus de l’Académie des sciences.87: 1062.
[2] Jacques-Louis Soret (1879).“Sur le spectre des terres faisant partie du groupe de l’yttria”. Comptes rendus de l’Académie des sciences.89: 521.
[3] Per Teodor Cleve (1879).“Sur deux nouveaux éléments dans l’erbine”. Comptes rendus de l’Académie des sciences.89: 478–480. Cleve named holmium on p. p. 480: “Je propose pour ce métal le nom de holmium, Ho, dérivé du nom latinisé de Stockholm, dont les environs renferment tant de minéraux riches en yttria.” (I propose for this metal the name of “holmium”, Ho, [which is] derived from the Latin name for Stockholm, the environs of which contain so many minerals rich in yttrium.)
[4]Per Teodor Cleve (1879).“Sur l’erbine”.Comptes rendus de l’Académie des sciences.89: 708.
[5]John Emsley (2001).Nature’s building blocks: an A-Z guide to the elements. US: Oxford University Press. pp. 181–182.ISBN 0-19-850341-5.
[6]刘士贵. 钬激光在泌尿外科的应用现状[J]. 中国现代医生, 2007, 45(12):122-124.
[7]龙正楠. 钬激光的基本原理及潜在风险与控制名医 2019,Vol 04
[8] Wollin, T. A.; Denstedt, J. D. (Feb 1998). “The holmium laser in urology”. Journal of clinical laser medicine & surgery.16(1): 13–20.doi:10.1089/clm.1998.16.13.PMID 9728125.
[9]“Cubic zirconia”. Archived fromthe originalon 2009-04-24. Retrieved2009-06-06.
[10]R.P.MacDonald (1964).“Uses for a Holmium Oxide Filter in Spectrophotometry”. Clinical Chemistry.10(12): 1117–20.PMID 14240747.