1947年,稀土家族“集齐”

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图片说明1：芬兰化学家加多林

候 涛

开栏的话：近日，中国科研团队发现了新稀土矿物“钕黄河矿”。稀土是不可再生的稀缺性战略资源，被广泛应用于尖端科技领域和军工领域，有“新材料之母”之称。在全球科技革命加速的大背景下，各国对稀土资源的争夺愈演愈烈。那么，历史上稀土是如何进入人类视野的？从本期开始，史海回眸版将推出“当人类发现稀土”系列报道，回溯人类发现稀土元素的过程，稀土在工业、军事方面的早期应用，及其对地缘政治的影响。

在化学元素周期表中，稀土指的是镧系元素和钪、钇共17种金属元素的总称，包括钷、钆、镥，等等。如今，手机屏幕、数码相机，甚至导弹、雷达、潜艇中都有稀土元素的身影。而稀土元素最早被发现，源于1787年的一次偶然。

瑞典军官在采石场的意外发现

人类“稀土之旅”的开启与一名瑞典军官在采石场的意外发现有关。瑞典陆军中尉卡尔·阿克塞尔·阿伦尼乌斯当过炮兵军官，曾被指派前往瑞典皇家铸币厂实验室研究火药特性，化学家指导他进行火药测试，激发了他对化学和矿物学的兴趣。也是因为对化学的兴趣，阿伦尼乌斯1787年前往瑞典伊特比采石场参观时，意外发现了一种独特的黑色矿物，这立即引起他的关注。如果换一个人，人类或许就不会这么快发现稀土。

伊特比的采矿活动始于17世纪，那里本是石英矿场，当时欧洲人追捧瓷器，于是在此开采烧制陶瓷的原料，一直持续到1933年矿场关闭。

阿伦尼乌斯发现的这种形似沥青的黑色矿物异常沉重，他将其寄送到今图尔库的皇家学院化学家约翰·加多林处进行专业分析。加多林是芬兰化学家、物理学家和矿物学家，拿到这件“奇怪的东西”后不断研究，加多林把这块岩石熔化，得到了一种棕色的有气泡的物质。接着，他改变这种物质的温度，加入硝酸、水、氧化铜、碳酸钠和其他物质，同时记下它们的实验结果。1794年，加多林意识到自己发现了一个“新家伙”，他在给一位朋友的信中写道：“我很激动，我敢说我发现了一块‘新大陆’。”

1794年，加多林在其发布的研究报告中称，阿伦尼乌斯送来的样品中大约有38%是此前未知的“土”（当时化学元素概念尚未确立）。他将自己分离出来的首种稀土金属化合物命名为钇。1797年，加多林的研究成果得到科学界承认，就这样，人类拥有了首种稀土金属。由阿伦尼乌斯发现、加多林分析研究的矿物在1800年被重新命名为硅铍钇矿。加多林因此声名鹊起，后来还被册封为骑士。

挑战是找到分离的方法

伊特比矿里的发现是众多科学家跨国开展稀土研究的开端。因为稀土元素在化学性质上的高度相似性，许多所谓“新发现的元素”并非单一物质，是由多种不同稀土元素混合而成的化合物，这使得科学界对稀土元素的化学性质研究一度举步维艰，科学界面临的重大挑战是找到分离它们的方法。

19世纪，对于欧洲化学家而言，发现一种新元素是能带来名誉的活动。1803年，瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯和威廉·希辛格等人几乎同时宣布他们从矿物中分离出一种新元素铈。1839年，瑞典化学家卡尔·古斯塔夫·莫桑德尔开始系统地分析混合稀土，发现并命名了镧、铒和铽。19世纪下半叶，化学家古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本森发展了光谱学，推动了通过检查光谱来识别稀土元素的技术。1880年，瑞士化学家让·马利格纳克在研究铌钇矿时发现了一种以前未知的氧化物。几年后，其他科学家证实了一种新稀土元素的存在，并将其命名为钆。

卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫是罗伯特·本森的学生，1880年在德国海德堡大学就读时，韦尔斯巴赫开始研究稀土元素。作为一名熟练的实验室化学家，他证明了当时被认为是“一种元素”的钕镨混合物实际上是两种稀土元素的结合体。

神秘的61号元素

稀土元素镥于1907年被发现，不过当时无人知晓稀土元素究竟有多少种。在1913年至1914年间，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔和英国物理学家亨利·莫斯莱解决了这一难题。以玻尔提出的氢原子理论为基础，人们认为存在14种镧系元素。莫斯莱的实验研究不仅验证了其中13种元素的存在，还揭示第14种镧系元素应为61号元素。

20世纪20年代，科学家们对61号元素的探寻可谓如火如荼。1926年，意大利佛罗伦萨大学与美国伊利诺伊大学的科研团队相继宣称发现了这种元素，并分别将其命名为“佛罗伦萨元素”和“伊利诺伊元素”，但这些说法始终未能得到验证。

直到1947年，美国原子能委员会下属的田纳西州橡树岭国家实验室的科学家们成功分离出61号元素，并将其命名为钷。至此，人们将元素周期表中17个性质相近的元素全部找到，把它们列为一个家族，取名稀土元素。

随着20世纪原子物理学的发展，1939年，德国科学家奥托·哈恩与其他国家科学家发现铀的核裂变，并在裂变产物中鉴定出稀土元素，稀土元素获得了新的战略地位。

二战后的美苏冷战时期，美国和苏联两国都投入巨资加大在稀土领域的研究与发展。美国空军研究人员在20世纪60年代开发出钐钴磁铁，即使在非常热的情况下，这种材料仍能保持其强大的磁性，从而发展出更先进的雷达仪器。苏联冶金学家在20世纪80年代使用钪使铝变得更强更轻，从而提高了米格-29战斗机的性能。