本文是《自然-化学》元素故事系列的第77篇文章：诱人的钽（tǎn）
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原文作者：乔瓦尼·巴克罗（Giovanni Baccolo），意大利锡耶纳大学地球科学系
巴克罗讲述了钽的故事，钽因其惰性闻名和得名，但它也带来了一些惊喜，比如天然存在的核同质异能素。
1802年，瑞典化学家安德斯·埃克贝格（Anders Ekeberg）从矿石中首次提取出了第73号元素，并加以描述。他将这种元素命名为“钽”，因为“被放置在酸液中时，钽既不会与酸反应，也不会被浸润”；这让人联想到在希腊神话中的坦塔罗斯，他尽管被食物和水包围，但却吃不着、喝不到[1]。
在长达六十多年的时间里，钽和铌都被认为是同一种元素。铌是钽在元素周期表中的邻居，1801年，查理斯·哈契特发现了这种元素并将其命名为钶——铌早期的名字。钽和铌具有非常相似的化学和物理性质，并且在自然界中总是混在一起。1801年至1866年间，钶、钽、铌、pelopium、ilmenium等元素一再被宣告发现；然而，这些元素后来被证明只是钽和铌，抑或是两者的混合物。
法国科学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marignac）利用钽、铌的含氟化合物的不同溶解度[2]，第一个成功地将钽从铌中分离出来。钽与铌、钼、钨和铼都属于难熔金属——也许并无出人意料之处。这些元素具有非常高的熔点（钽的熔点为3290 K），以及众所周知的高机械性能和化学惰性。
来源：THE ART ARCHIVE / ALAMY
这种化学惰性使钽被用于种种不同场合。二十世纪初，紧随着新的提取和纯化方法的出现，它有了第一个应用。1905年，恩斯特·维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens）雇佣的工程师设计了一种基于钽灯丝的白炽灯泡，这是第一次用金属取代易碎的碳灯丝的商业尝试。然而，钽灯泡很快就被另一种更合适的难熔金属钨所取代，因为钨更稳定、熔点更高（3695 K）。钽也曾被用来制作耐墨水腐蚀的钢笔笔尖，但很快就被锇和铱的合金取代。在现代，从制造合金，到电子设备和外科植入物，钽活跃在各种不同的行业里。手机和类似的设备往往依赖于钽电容器；而作为外科植入物，钽的惰性确保它不会干扰生物组织和生理过程。
第73号元素最奇特的特征涉及到它的一些核性质。钽最初被认为只有一种天然同位素钽-181；但在1955年，第二种同位素钽-180被鉴定出来[3]。据估计，它的相对丰度仅为天然钽的0.01201%，这是迄今为止观察到的最稀有的天然同位素。钽-180的半衰期约为8小时，这意味着它应该是放射性的。既然如此，那我们是如何在天然样品中观察到钽-180的呢？
这种同位素是以钽-180m的状态存在的，其中“m”表示亚稳态，在核物理中称为同质异能素。同质异能素处于原子核的激发态，它与激发态的电子遵循类似的规则。它们通常是放射性物质，会很快地衰变为基态，并发射标志性的伽马射线。但有时它们需要更长的时间才能衰变。钽-180m就是如此，这是最稳定的和已知的唯一一种天然核同质异能素。尽管有过几次尝试，但它的自发衰变还没有被观察到，半衰期的下限在1012-1016年。天体物理学家试图通过研究在恒星以及极端事件（如超新星爆发、核捕获和核解体）中的典型的核合成途径，来进一步了解这种奇特的同位素的起源，但尚未达成共识。理解清楚这个难以解释的过程，对核合成模型而言是一项重要的考验。
钽-180m与其它长寿命的核同质异能素的另一个重要研究方向是，有可能可以强行让它们衰变到基态，诱导其能量以伽马射线的形式释放。针对钽-180m所做的一些尝试已经成功，但现有的过程能量转化效率极差[4]。改进这一过程可能可以促进伽马射线激光器发展，或是开发出一种新型核电池[5]。
人们可能更了解它的惰性、抗腐蚀性和优良机械性能，但第73号元素还带来了另外一些等待我们去研究的有趣问题。
参考文献：
1. Ekeberg, A. G.J. Nat. Philos. Chem. Arts3, 251–255 (1802).
2. Marignac, M. C.Ann. Chim. Phys.4, 7–5 (1866).
3. White, F. A., Collins, T. L. Jr & Rourke, F. M.Phys. Rev.97, 566–567 (1955).
4. Collins, C. B., Eberhard, C. D., Glesener, J. W. & Anderson, J. A.Phys. Rev. C37, 2267–2269 (1988).
5. Walker, P. & Dracoulis, G.Nature399, 35–40 (1997).
原文以Tantalizing tantalum为标题发表在 2015年9月22日的《自然-化学》In your element上
© nature
nchem | doi: 10.1038/nchem.2350
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