我们大多数人每天都在不知不觉中使用稀土元素。这些鲜为人知且引人入胜的元素使现代电子成为可能。

作者：斯坦利·默茨曼，富兰克林与马歇尔学院

大多数美国人每天都在使用稀土元素——他们对此一无所知，也不知道自己在做什么。这种情况可能会改变，因为这些不寻常的材料正成为中美之间不断升级的贸易战的焦点。

Stanley Mertzman是一位地质学家，他的专业是对岩石和矿物进行X射线分析以确定其化学成分，他在富兰克林与马歇尔学院教授矿物学，他回答了关于这些鲜为人知但引人入胜的元素的四个问题，以及它们使现代电子技术成为可能。

1. 什么是稀土元素？

严格来说，它们是元素周期表上的其他元素，如碳、氢和氧，原子序数为57至71。还有另外两种具有相似性质的元素有时会与它们归为一类，但主要的稀土元素是这15种。为了制造第一个镧，从钡原子开始，添加一个质子和一个电子。每一个连续的稀土元素都会增加一个质子和一个电子。

重要的是，有15种稀土元素：化学专业的学生可能还记得，当电子被添加到原子中时，它们会聚集成团或层，称为轨道，就像围绕原子核靶心的目标同心圆。

任何原子的最内层靶圈都可以包含两个电子；添加第三个电子意味着在第二个目标圆中添加一个电子。接下来的七个电子也会去那里——之后电子必须去第三个目标圆，这个目标圆可以容纳18个。接下来的18个电子进入第四个目标圆。

然后事情开始变得有点奇怪。虽然第四个靶圈中仍有电子的空间，但接下来的八个电子会进入第五个靶圈。尽管第五个有更多的空间，但接下来的两个电子会进入第六个目标圆。

这时原子变成钡，原子序数为56，早期目标圆中的空白区域开始填充。再添加一个电子——制造镧，稀土元素系列中的第一个——将该电子置于第五个圆圈中。添加另一个原子序数为58的铈，会在第四个圆上添加一个电子。制造下一个元素镨，实际上会将第五圈中的最新电子移动到第四圈，并再添加一个。从那里，额外的电子填充了第四个圆圈。

在所有元素中，最外圈的电子在很大程度上影响着元素的化学性质。因为稀土具有相同的最外层电子构型，所以它们的性质非常相似。

2.稀土元素真的稀有吗？

不，它们在地壳中的含量比许多其他有价值的元素要丰富得多。即使是最稀有的稀土元素，原子序数为69的铥，也比黄金常见125倍。稀土元素中含量最低的铈，原子序数为58，其丰度是金的15000倍。

然而，从某种意义上说，它们是罕见的——矿物学家会称它们为“分散的”，这意味着它们大多以相对较低的浓度散布在地球上。稀土通常存在于被称为碳酸盐岩的稀有火成岩中，没有什么比夏威夷或冰岛的玄武岩、圣海伦斯火山或危地马拉火山的安山岩更常见的了。

有几个地区拥有大量的稀土，而且它们大多在中国，中国的稀土产量占全球年产量13万吨的80%以上。澳大利亚也有一些地区，其他一些国家也是如此。美国有一小块地区有大量的稀土，但美国最后一个稀土来源是加利福尼亚州的山口采石场，该采石场于2015年关闭。

3. 如果它们不稀有，它们很贵吗？

是的，确实如此。2018年，原子序数为60的钕氧化物的成本为每公吨107000美元。预计到2025年，价格将攀升至15万美元。

铕的价格甚至更高，约为每公吨712000美元。

部分原因是稀土元素在化学上很难相互分离以获得纯物质。

4. 稀土元素有什么用途?

在20世纪后半叶，原子序数为63的铕因其作为视频屏幕（包括电脑显示器和等离子电视）中的彩色荧光粉而受到广泛需求。它也可用于吸收核反应堆控制棒中的中子。

如今，其他稀土也常用于电子设备。例如，原子序数为60的钕是一种强大的磁铁，可用于智能手机、电视、激光器、可充电电池和硬盘。特斯拉即将推出的电动汽车发动机版本也有望使用钕。

自20世纪中叶以来，稀土的需求一直在稳步增长，而且没有真正的替代材料来取代它们。尽管稀土对一个以现代技术为基础的社会很重要，开采和使用起来也很困难，但关税战可能会使美国陷入非常糟糕的境地，使国家和稀土元素本身都成为这场经济博弈中的棋子。

Stanley Mertzman，富兰克林与马歇尔学院地球科学教授

这篇文章最初发表在The Conversation上。阅读原始文章。

一句话：回答了四个关于稀土元素的问题。