钍 · 茶年 · 中文维基百科

'（；舊譯鋀）是一種化學元素，其化學符號为'，原子序數为90，原子量為，屬于锕系元素，具有微弱放射性。釷為銀白色金屬，具有相當的反應性，在空氣中會形成二氧化釷並褪成黑色，若切成細塊則可在空氣中點燃。硬度一般，熔點高，具延展性。釷為易帶正電的元素，其主要氧化態為+4價。

所有已知的釷同位素皆不穏定，最穩定的232Th的半衰期長達140億年，與宇宙年齡相當。它緩慢地經由α衰變開始名為釷衰變系的衰變鏈，最終止於穩定的208Pb。由於具有壽命極長的同位素，釷和鈾及鉍是宇宙及地球中唯三存量尚高的。此外，釷也是地球上儲量最豐富的放射性元素，估計其在地殻中的豐度為鈾的三倍多，生產來源主要是獨居石砂中提取稀土元素的副產物。

挪威業餘礦物學家在1829年發現了釷，瑞典化學家永斯·貝吉里斯在鑑定後，以北歐神話中的雷神索爾（Thor）命名。釷在十九世紀末開始有所應用，而其放射性在1900年代被廣為認知。在二十世紀後半因擔憂釷的放射性，其許多用途皆被取代。

釷是鎢極氣體保護電弧焊中，電極裡的合金元素，但其使用逐漸被取代。釷也被應用在科學儀器中高階光學元件，以及煤氣燈的，但這些用量都很小。由於儲量充裕，有人建議用釷取代鈾作為核反應爐的燃料，已有數個釷反應炉被建造。

整體性質
釷的硬度一般，具順磁性，為亮銀色的放射性金屬元素。在週期表中，位於錒之右，鏷之左，鈰之下。純釷的延展性相當好，
與一般金屬一樣，可被冷軋、擠鍛及拉製。在室溫下，釷金屬為面心立方堆積，它有其它兩種形態，一個在高溫（超過1360 °C，體心立方堆積），一個在高壓（約100 GPa，體心四方堆積）。

釷金屬的體積模數（一種物質有多難壓縮的度量）為54 GPa，與錫約同（58.2 GPa）。鋁為（75.2 GPa），銅為137.8 GPa，軟鋼（低碳鋼）則為160–169 GPa。釷的硬度與軟鋼差不多，所以加熱後可被滾成薄板及拉製成線。

釷的密度約為鈾及鈽的一半，但硬度比二者高。在錒系元素裡，在鉲之前並可在毫克等級下做分析的元素中，釷則具有最高的熔點沸點，以及第二低的密度，只有錒比釷輕。釷的沸點為4,788 °C，在所有已知沸點的元素中是第五高。

釷的性質會因樣品中雜質含量的不同而有大幅變化，主要的雜質通常是二氧化釷（ThO2），即使是最純的釷樣品，通常也含有大約千分之一的氧化物。實驗測量出的密度界於11.5及11.66 g/cm3之間，略小於理論預測值11.7 g/cm3，這也許是因為在製成金屬時形成了微觀空洞。這些值位於隔鄰的錒（10.1 g/cm3）及鏷（15.4 g/cm3）之間，也符合錒系前段元素的趨勢。

釷可與許多金屬形成合金。加入少量的釷可以增加鎂的機械強度，釷鋁合金被認為是一種在未來釷核反應爐來儲存釷的方法。釷與鉻及鈾形成共熔混合物，並與較輕的同族元素鈰在液態及固態都完全互溶。

化學性質
釷原子有90個電子，其中四個電子為價電子。理論上價電子有三個原子軌域可以填：5f、6d及7s。儘管釷位於週期表中的f區塊，它的基態有著異常的[Rn]6d27s2電子組態。5f及6d子殻層在早期錒系元素中能量相當接近，甚至比鑭系元素中的4f和5d子殻層還近，而釷的6d子殻層比5f子殻層能量低，因為它的5f子殻層並未被完全填滿的6s及6p子殻層良好遮蔽，所以較不穩定。這是因為相對論效應，更精確的說是自旋-軌道作用，在週期表底部變得更為重要。釷原子的5f、6d及7s的能量相近，導致釷幾乎總會失去它的四個價電子，並處於它的最高可能氧化態+4。這和釷的同族鑭系元素鈰不同，鈰的最高氧化態也是+4，但是+3氧化態更為重要也更為穩定。比起鈰，釷的游離能和氧化還原電位更像是過渡金屬鋯及鉿，所以釷的化學性質也是像鋯及鉿。這種類似於過渡金屬的性質是轻錒系元素的通性。

有著螢石晶體結構。
Th4+: __ / O2−: __]]

雖然氣態釷原子有著異常的電子組態，5f在釷金屬裡扮演了重要角色。這首先在1995年被認識到，如果釷的電子組態是[Rn]6d27s2，且5f軌域在費米能階之上，那麼釷的晶體结构會像是4族元素鈦、鋯及鉿一樣，是六方最密堆積，而不是實際上的面心立方堆積。只有在考慮5f之後，才能解釋真實的晶體結構。釷的+3氧化態稀有且極不穩定，其電子組態為[Rn]5f1，這也清楚說明了5f軌域在其中扮演的角色。

四價釷化合物的顏色通常是無色或是黃色，像是銀或鉛一樣，因為Th4+也沒有5f或是6d電子。

只能在大多數礦物的少量成份中發現釷，所以釷在早先被視為稀有。土壤正常含有6 ppm的釷。

自然界中，釷以+4氧化態存在，與鈾(IV)、鋯(IV)、鉿(IV)、鈰(IV)、鈧、釔以及其它三價鑭系元素有著差不多的離子半徑。因為釷有放射性，含釷的礦物通常是輻射變晶（非晶形固體），它們的晶體結構被釷的α射線所破壞。矽鈣鈾釷礦（(Ca,Fe,Pb)2(Th,U)Si8O20）是一個極端例子，因其含有的釷而從未被發現不是輻射變晶的情形。

因為在世界各地有大型礦床，獨居石（主要是不同稀土元素的磷酸鹽）是釷最重要的商業來源，主要產區有印度、南非、巴西、澳洲及馬來西亞。它的釷含量平均有2.5%，在某些礦床則可高達20%。獨居石為黃或棕色，成砂狀；化學穩定性高，所以難以從中萃取出釷。褐廉石（主要是不同金屬的氫氧矽酸鹽）可含有0.1–2%的釷，鋯石（主要是矽酸鋯）可含有0.4%的釷。

氧化釷存在於稀有礦物方釷石礦中，因為其與二氧化鈾為同型礦物，這兩種常見的錒系元素氧化物可以形成固態溶液，其名稱則因ThO2的含量而有所不同。釷石（主要是矽酸釷，ThSiO4）的釷含量也很高，也是首次發現釷的礦物。在矽酸釷礦裡，Th4+及離子常被M3+（M= Sc, Y, or Ln）及磷酸根（）所取代。因二氧化釷極其難溶，在釋放時，釷通常無法很快地散布於環境之中。Th4+離子可溶，尤其在酸性土壤之中，在酸性條件下釷離子濃度可高達40 ppm。

歷史
（Thor），北歐神話中的雷神，在一場與霜巨人的戰鬥中，舉起他的雷霆戰鎚妙爾尼爾。]]

錯誤的報告
在1815年，瑞典化學家永斯·貝吉里斯分析了從瑞典中部城市法倫的銅礦中得來的不尋常矽鈹釔礦樣本，他注意到一個白色礦物的浸漬痕跡，並謹慎地假設其為某種未知元素的氧化物。貝吉里斯已經發現了兩種元素，鈰及硒。但他也曾錯誤地公開發表了一個新元素gahnium，後來發現其實是氧化鋅。在1824年，在揶威的西阿格德爾郡發現了更多相同礦物的礦床後，他撤回了他的發現，因為這個礦物（後被命為磷釔礦）被證明大多是正磷酸釔。

發現
在1828年，莫滕·特拉内·埃斯马克在挪威泰勒馬克郡的Løvøya島上發現了一種黑色礦物。他是挪威的神父，也是一個業餘的礦物學家，在泰勒馬克郡研究礦物，並在當地擔任神職人員。他常將最有意思的標本，像是這個，寄給他父親。他父親是知名的礦物學家，也是克里斯蒂安尼亞（今奧斯陸）皇家腓特烈大學的礦物學及地質學教授。老埃斯马克判定這不是已知的礦物，並寄了份樣本給貝吉里斯尋求鑑定。貝吉里斯判定這含有一種新元素。在1829年，在利用鉀金屬還原 KThF5，分離出不純的樣品後，他發表了他的發現。貝吉里斯重用了之前誤判新元素的名稱，將這個礦物命名為thorite。

，第一個鑑定釷為新元素的人]]

貝吉里斯對這新金屬元素及其化學化合物做了初步的鑑定，他正確地得到了氧化釷中的釷氧質量比7.5（真確值約為7.3），但他假設這新元素是二價而非四價，所以算出的原子量為氧原子量的7.5倍（120 amu），實際上的量應為氧的15倍。他判定釷是一種電正度很高的金屬，其電正度比鈰高但比鋯低。金屬形態的釷在1917年第一次被荷蘭企業家Dirk Lely Jr.及Lodewijk Hamburger分離出來。

初期化學分類
在1869年由門得列夫發表的週期表中，釷及稀土元素被放置在週期表主體之外，也就是在每個垂直週期的底部，鹼土金屬的後面。這反映出了當時認為釷及稀土元素是二價的。之後得知釷及大部份稀土元素是四價，門得列夫在1871年將鈰及釷移到第四族，該族也包含了現代的碳族（第十四族）及鈦族（第四族），因為它們最大的氧化態是+4。鈰很快地從週期表主體中移除，改放到分開的鑭系元素中；釷則是因為與其它較輕的第四族元素，像是鈦及鋯，有著類似的性質，而留在第四族裡。從1899年開始，紐西蘭物理學家歐尼斯特·拉塞福及美國電子工程師Robert Bowie Owens研究釷的放射線，早期觀察顯示它變化幅度巨大。後來他們確定了這些變化來自於一個釷的短命氣態子核種，而且發現這是一個新元素。這元素現被命名為氡，除了鈾以外，是唯一一個在自然中以釷的子核種被發現的放射性元素。

在計入氡的貢獻後，拉塞福，現與英國物理學家弗雷德里克·索迪合作，在1900年到1903年的工作中，證明了釷是如何隨著時間以穩定速率，衰變成一系列的其它元素。這觀察引起半衰期的鑑定，也就是α粒子實驗成果之一，而這又導致了放射性的蛻變理論。放射性的生物效應發現於1903年。這新發現的放射性現象激勵了科學家及一般大眾。在1920年代，釷的放射性被宣傳為風濕、糖尿病及性無能的解藥。1932年，在聯邦調查放射性的健康影響後，這類使用大多在美國被禁止。

发现釷位于f區塊]]

進一步分類
直到十九世紀末，化學家一致認為釷及鈾就像鉿及鎢的類比，第六排的鑭系元素被認為是僅有一次的意外。在1892年，英國化學家Henry Bassett假設了第二個額外的週期表長排，以容納已知及未發現的元素，並將釷及鈾類比成鑭系元系。1913年，丹麥物理學家尼爾斯·波耳發現了原子及電子軌域的理論模型，後快的得到了廣泛認同。此模型指出了週期表的第七排過渡金屬，在填d殼層之前應先填進f殼層，就像第六排中鑭系元素位於5d過渡金屬之前。波耳建議5f軌域有可能延至鈾之後才被填入。在1975年，在美國物理學家格倫·西奧多·西博格與他的團隊發現超鈾元素鋂及鋦後，他理解到釷是錒系元素的第二個成員，並位於f區塊中，而非是位於第四d區塊，鉿的較重同族元素。

逐步淘汰
在1990年代，因為安全性及環保考量，隨著發現更安全的適當替代物後，大多與釷的放射性無關的應用也快速減少。儘管釷有放射性，在無法找到適當替代物時，釷依然被使用。1981年，一份由美國橡樹嶺國家實驗室的研究估計，在每週末使用釷煤氣網罩，對一個人來說是安全的，有些製造商已改用其它材料，像是釔。直到2007年，一些公司仍持續製造販賣釷網罩，且未提供與其放射性相關的適當訊息，有些公司更偽稱它們不具有放射性。

核能發電
釷在原型層級上已被用做電力來源。最早的釷反應爈建於1962年，位於美國紐約洲的Indian Point能源中心。印度有世界上最大釷供應地之一，但印度的鈾存量並不多。在1950年代，印度尋求能源獨立，推立了三階段核能計劃。在大多數國家，鈾存量相對得多，而釷反应堆的進度緩慢；在二十世紀，有三個反应堆建於印度，十二個建於他處。
1996年，國際原子能總署開始了釷反应堆的大規模研究；一年後，美國能源部也開始研究。以色列臺拉維夫大學的Alvin Radkowsky是賓夕法尼亞州碼頭市核電站的首席設計師，第一個美國民用釷滋生反应堆。他建立了一個集團來研發釷反应堆，包括了其它實驗室： Raytheon Nuclear Inc.、美國的布魯克黑文國家實驗室及俄羅斯的庫爾恰托夫研究所。在二十一世紀，釷潛在的減低核擴散能力及它的廢料特性重新引起了釷燃料循環的興趣。

核武器
在冷戰時期，美國研究了利用232Th來做為233U來源以製造核彈的可能性，他們在1955年發射了一個測試彈。他們總結233U核彈是非常強力的武器，但是與同時的鈾鈽核彈相比，它只有少量的可持續技術優勢，特別是純同位素233U難以取得。由于目前对于钍的需求不大，对于矿藏分布地區的勘探很少，因此钍资源的分布不是很清楚。在2014年，可用來萃取釷的濃縮獨居石的世界產量大約有2700噸。

常見釷的生產過程包括了從濃縮物中的萃取以及純化，接下來可以選擇轉成化合物，像是氧化釷。

濃縮
可用來萃取釷的釷礦物可分兩大類：原生礦床及次生礦床。原生礦床發於酸性花崗岩岩漿及偉晶岩中，濃度高但尺寸小；次生礦床則發於花崗岩山區河口處。在這些礦床中，釷與其它重礦物一起被濃縮。初始濃度隨著礦床種類而有所不同。

在原生礦床裡，通常由採礦得到偉晶岩後，分成小塊再進行浮選。碳酸鹼土金屬鹽可用氫氯酸反應而移除，接下來進行稠化、過濾及鍛燒，可得稀土元素含量上達90%的濃縮物。次生礦物（像是海砂）則先進行重力分離，再以一系列漸強的磁鐵進行磁力分離。以此法得到的獨居石純度可達98%。

廿世紀的工業生產法，是先在鑄鐵容器以熱濃硫酸處理，再以水稀釋並進行選擇沉澱。此法依賴於技術上的細節及濃縮物顆粒的大小。曾有許多替代方法被提出，但只有一種被證明經濟實惠：以熱氫氧化鈉進行鹼消化。這比原法更貴，但產出更純的釷，特別的是此法可從濃縮物中移除磷酸鹽。

酸消化處理
酸消化處理包括兩過程，並用到了溫度210–230°C，濃度高度93%的硫酸。首先加入60%的硫酸，稠化反應物。再來加入發煙硫酸，並保持定溫五小時以降低稀釋後的體積。硫酸濃度依反應速度及黏度而定，兩者皆隨著濃度上升而增加，但黏度增加會使反應變慢。升溫也會加速反應，但需避免超過300°C，因為這會產生不可溶的焦磷酸釷。因為溶解會放出很多熱，獨居石砂不可太快的加入酸裡。相反的在溫度低於200°C時，反應會太慢以致於不實際。為了保證沒有沈澱物會析出於獨居石表面而阻礙反應，酸的量必須是石砂的兩倍，而不是化學計量得出的60%。之後將混合物卻至70°C ，並以十倍體積的冷水稀釋，如此一來所有剩餘的獨居石會沈於底部，而稀土元素及釷會留在溶液中。之後釷可以在pH 1.3下以磷酸鹽沈澱而分離，
因為稀土元素直到pH 2才會沈澱。

鹼消化處理
鹼消化是以30–45%的氫氧化鈉溶液在140°C處理約三小時。太高溫會產出難溶的氧化釷，留下過量的鈾在濾液裡；鹼液濃度太低則會使反應非常緩慢。這些反應條件相當溫和，需要獨居石砂的大小在45 μm以下。在過濾之後，濾餅會含有以氫氧化物形式存在的釷及稀土元素、以重鈾酸鈉形式存在的鈾與以磷酸鈉形式存在的磷酸。降溫至60 °C以下時，此濾餅會析出十水磷酸鈉的晶體；反應物中有二氧化矽時，鈾不純物的量會上升，在商業使用前需重新結晶。氫氧化物會在80°C溶解於37%的氫氯酸。過濾剩餘的沈澱物後，再加入47%的氫氧化鈉，會在約pH 5.8左右沈澱出釷及鈾。需避免乾燥沈澱物，因為空氣會氧化鈰到+3或+4的氧化態，而鈰(IV)可以從氫氯酸中釋放出氯。稀土元素會在高pH值時再次沈澱，沈澱物會被原有的氫氧化鈉溶液中和，雖然大部份的磷酸必須先移除以避免稀土元素磷酸鹽的沈澱。也可先將濾餅溶於硝酸後，再用溶劑萃取出釷及鈾。氫氧化釷會綁住釷而妨礙其完全溶解。

純化
核相關應用需要高濃度的釷，特別的是，中子補獲截面積很高的原子，濃度必須很低（例如釓的重量濃度須低於百萬分之一）。之前，高純度是用反覆溶解及再結晶來達成。現今是使用液態溶劑萃取，這牽涉到選擇性的Th4+錯合反應，例如在鹼消化處理移除磷酸後，剩下的釷、鈾及稀土元素等的硝酸錯合物可在煤油中以磷酸三正丁酯萃取來分離。

金属钍的制备
粉末状态的金属钍是通过在氩气中或真空条件下钙高温还原二氧化钍得到的。还原后的粗产物在提纯后经粉末冶金(压制、烧结)成锭，并进一步熔炼可以得到质密状态的金属钍。

應用
自1950年代起，因釷及其衰變產物的放射性導致環境上的考量，與放射性無關的應用已逐漸下滑。當釷暴露在能量來源中時，釷會散發出能量，其中有些能量是以可見光的形式釋放，能量來源則有可能是陰極射線、熱源或是紫外線。氧化鈰也有這效應，並在將紫外線轉成可見光時有著更高的效率，但是氧化釷有著更高的火焰溫度，並放出較少的紅外線。釷仍常被用在網罩中，但自1990年代後期已逐漸被釔取代。一份由英國國家輻射防護局在2005年發佈的評論指出，「雖然（釷製煤氣網罩）在數年前還非常容易取得，但現今已不再是如此。」

在製造白熾燈絲時，在抽出燈絲前，在鎢的燒結粉末加入少量的二氧化釷，可有效降低鎢的再結晶。在鎢製熱陰極中加入少量的釷，可有效降低電子的功函數，所以電子可在低得多的溫度被射出。釷會在鎢表面形成一原子厚的釷層。釷表面的功函數之所以會降低，有可能是因釷較大的電正性而在釷與鎢之間形成的電場所導致。自1920年代起，含釷鎢線被用在真空管、
X射線管的陰極和對陰極、以及整流器裡。因為釷與大氣中氧及氮的反應性，釷也用作真空管中的吸氣劑。1950年代引進電晶體後，此類需求大幅減少，但並未完全消失。在鎢極氣體保護電弧焊中，二氧化釷被用來增加鎢電極的高溫強度以及電弧的穩定性。在這項應用中，氧化釷正被其它氧化物，像是鋯、鈰及鑭的氧化物所取代。

二氧化釷被用在耐高溫的陶瓷中，像是實驗室的高溫坩堝，，或者是主要成份，或者作為二氧化鋯的添加物。由90%鉑及10%釷的合金，是把氨氧化成氮氧化物的催化劑，但這已被95%鉑及5%銠的合金所取代，因其有著更好的機械性質及更高的耐用度。

作為玻璃的添加物，二氧化釷可增加折射率及降低色散。這種玻璃可用於攝影機及科學器材裡的高品質透鏡。發黃的透鏡在長期暴露在強紫外線下後，即可回復透明無色。在此應用中，二氧化釷已被稀土氧化物取代，因為它們提供類似效果但無放射性。

四氟化釷在多層光學塗膜中可用作抗反射材料，它在電磁波段0.35–12 µm的範圍是透明的，大約對應到近紫外線、可見光及中紅外線。它的放射線主要是α粒子，可被另一層薄膜輕易擋下。自2010年代後，四氟化釷的取代物正在研發中。

Mag-Thor合金（也被稱為含釷鎂）被用於航太應用中，但這些應用因其放射性而逐漸淡出。

核能之潛在應用
核反應爐的主要能量來源是中子引發的核分裂。自然存在的232Th及238U補獲中子後，可分别增殖人造易分裂核種233U及239Pu。存在於自然界的235U也是易分裂核種。{{efn|十三種半生期超過一年的錒系元素易分裂同位素有229Th、233U、235U、236Np、239Pu、241Pu、242mAm、243Cm、245Cm、247Cm、249Cf、251Cf及252Es。這之中只有235U是自然存在，而且只有233U和239Pu可從自然核種補獲單中子而得。

优点
由于钍比铀常见得多，因此可为世界供能更久。

232Th比238U更易捕获中子，且比起235U和239Pu，钍产生的233U吸收中子后更易裂变、释放中子更多。238U仅需捕获一个中子就会产生239Pu及各种超铀元素废料，但232Th需要捕获五个中子才会产生超铀元素废料237Np。232Th捕获中子的过程中产生的233U及235U在捕获中子后都容易裂变，因此只有少数232Th能捕获中子至产生超铀元素。这也使得钍有潜力替代混合氧化物核燃料中的铀，减少超铀元素的产生，还能消耗掉燃料中的钚。

二氧化钍熔点高、热导率高、热膨胀系数低，因此钍燃料能使反应堆堆芯更安全、更有效。二氧化钍的化学性质比二氧化铀稳定，后者会因为被氧化成八氧化三铀（）而降低密度。

缺点
钍产生的乏核燃料危险、难以处理，因为其中含有232Th及233U的各种衰变产物，其中不乏有会放出强γ射线的核素。233U的生产都会因为232Th中的230Th杂质，抑或是使核素失去一个中子的副反应，产生232U杂质。233Pa有较长的半衰期，达27天，且中子捕获截面高，因此是中子毒物。大量的233Pa不会快速衰变为有用的233U，而是消耗中子并转化为234U，降低。为了避免此事发生，需要将233Pa从熔盐堆中分离，使它无法捕获中子，只能衰变成233U。

要想实现232Th的优点，就需要成熟的技术，而这种技术要比铀、钚燃料所需的技术更先进。钍燃料循环的商业可行性低，经合组织核能署就预测在铀尚能大量获得的几十年内，钍燃料循环在商业上不可行。虽然钍燃料循环产生的超铀元素较少，但不是超铀元素的231Pa也相当危险。它的半衰期是32760年，是乏核燃料长期危害的主要成因。由于α粒子可穿透体内的器官，因此暴露于含钍的气溶胶下会提高肺癌、胰脏癌、血癌的风险。由于衰变产物的熔点都远低于二氧化钍，它们在煤气网罩使用时都会挥发出来。在使用煤气网罩一小时后，钍的衰变产物224Ra、228Ra、212Pb、212Bi大多都会挥发。使用者每次使用煤气网罩时都会因吸入衰变产物，接受到0.2毫西弗的辐射，约为乳房摄影术辐射的三分之一。

一些核安全机构就煤气网罩的使用提出了建议，并提出了其制造和处置的安全问题。一个煤气网罩产生的辐射不是大问题，但工厂或垃圾填埋场集中的大量煤气网罩产生的辐射就是大问题了。

化学毒性
钍无臭无味。钍及其最常见的化合物二氧化钍都难溶于水，可溶的钍化合物也都会被转化成氢氧化钍沉淀，因此化学毒性较低。在柠檬酸根等可与钍离子形成可溶配合物的离子存在下，钍化合物会因为被人体吸收，显示毒性。钍难溶于水意味着它通过肾脏与粪便排出体外的速度缓慢。当含钍物体被咀嚼、吞下后，其中含有的钍只有0.4%进入人体，但钍危险的衰变产物会有90%进入人体。印度泰米尔纳德邦富含钍，因此当地居民得到的来自钍的辐射会比其它地区高出十倍。巴西北部沿海地区的瓜拉帕里有放射性的独居石沙滩，因此当地的辐射高达全球平均值的50倍。

钍可用于制造某些导弹的，因此钍的另一暴露源是武器试验场中产生的含钍粉尘。这被认为是意大利撒丁大区先天性障碍和癌症发病率高的原因。

註解
參考文獻
參考書目
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钍

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