稀土之歌

稀土之歌

王笑军

稀土啊，元素不多，
蹲在4f小窝；
靠着5s5p的阻隔，
放到哪里，
都与世无争，保持着自我。
弱场作用，线谱发射，
经典的能级图,
LaC_l3中Dieke的功不可没。^[1]

图1. （来源：https://professorships.jhu.edu/wpcontent/uploads/2016/05/DiekeGerhard.jpg）

图2. （来源：https://doi.org/10.1103/PhysRev.127.2058）

电子们亲切热热，相互耦合，
产生了无数Energy Level；
更与时俱进，与高层（5d）合作，
暗送秋波，也就不在乎什么选择定则；
他们起起落落，上下求索，
发出光和热。

光谱如何操作，
可探询Judd，或请教Ofelt；^[2]
“大胆”的假设
“小心”的琢磨—^[3]
粗犷近似，构思磅礴,
结果是如此的Remarkable！

图3. （来源：https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcROLmWbl7YF3sqDPe7_sj_0a-ReVGgAoQJYEw&s）  

稀土们有的甘作Donor, 谦称Sensitizer,
乐于奉献，把激发Transfer;
有的名为Activator，
遥相呼应，把能量Accept；
借力发射，无间合作（波函数重叠）, 
呈现出多彩多姿的电磁波。

图4. 图片4

稀土啊，十个指头还不够数落,
如果，如果加上脚趾，
就可以一一掰扯这4f-Block（¹f-¹⁴f）：

图5. 稀土元素

铈有点孤独，
4f只有老哥一个，
好似计划生育的结果。
却长袖善舞，
不甘寂寞；
与5第（d）合作，
把谱线展阔。
潜入YAG，
助白光闪烁；
更把蓝光余辉
变得五颜六色。^[4]

图6. 铈

镨便不再寂寞，
双电子如情人般十指紧握；
8228，对称组合，
衍生出Singlet（↓↑）和Triplet（↑↑）。
宽吸收，快响应，长歌短舞，^[5]
“镨写”在UV-IR的各个角落。
能上能下，独具品格：
上有完美的Metastable，^[6]
下则高效的Quantum Cutter！

图7. 镨

钕更是铿锵玫瑰一朵，
3电子共舞，婉约婀娜，
绽放出Doublet和Quartet。
是爱就爱（⁴I_9/2），
那便是她们的Ground （爱得有基础）。
强烈的辐射，
却是看不见的颜色；
优雅低调，
孕育了激光的UV Visible。^[7]

图8. 钕

钷，是盗火者，^[8]
还真有些居心叵测；
在稀土家庭里，
算是奇葩一朵；
储量微微，还得放射，
用于核电池，不可捉摸。

图9. 钷（来源：https://www.examples.com/chemistry/promethium.htm）

钐的发射有些独特（⁴G_5/2-⁶H_J）
沉溺于橙色红色。
电声耦合相对较弱，
磁偶跃迁就变得很popular。
最大的功绩是与钴合作，
导航了登月的阿波罗。

图10. 钐

铕在发光显示位居C座，
荧光粉红蓝两色，缺一不可。
电偶-磁偶，你争我夺，
⁵D就成了敏锐的Probe；
探反演，测对称，
常把晶场环境摸索。
携手Charge Transfer，
热猝灭更把高低温检测。^[9]

图11. 铕

钆是7电子7能级各得其所，
减少了库伦的互相推扯；^[10]
婉约低调，
基态被价带淹没。
寻常日盲无痕，
深闺莫测。
不鸣则已，
一鸣即跨越紫色。

图12. 钆

铽有着⁵D“独铽”的绿色，
RGB缺她不可。 
常常与“室友”（CeEu）合作，
是能量传递的楷模（~100%）。
窄线多峰，能级结构是铕的映射，
只是把J的顺序翻个个儿。^[11]

图13. 铽

镝本属于浪漫诗作，^[12]
飞鸣镝，下长安，西风叶落。
混同于普通稀土，
则多少有些落寞。
发白光，设陷阱，
作磁石，生镭射，
---也不失稀土本色。

图14. 镝

钬的故乡在斯德哥尔摩，^[13]
克利弗（Cleve）把她和铒分割。
虽然发光不算太火，
入光纤，生红外，
毕竟是新一代5G发射；^[14]
能级清晰的Structure
赋予了敏感的Stark。^[15]
而最强的磁性，
才是她“钬”立鸡群之所；^[16]
磁通量的Concentrator，
更用于Nuclear Reactor。

图15. 钬（Image by Grok）

铒不尔尔，有点了不得！
那嗖嗖的红外辐射，
算光算热？
比光还亮，比热更灼！
EDFA啊，没有她
哪有现代的通讯网络！
铒还是难得的Upconverter，
给她红外，还以Color (see see)；
热耦合的成对儿能级们，
更用于温度的实时探测。

图16. 铒（Image by Grok）

铥来自神秘之地图勒，^[17]
得来的过程和钬差不多。
上转换，重蓝色，
也是长波短波，G赫T赫，
五光十色加X辐射；
穿晶体，走粉末，生薄膜，
激光发射All Fiber！

图17. 铥

镱本事意念之作，几人争夺，^[18]
能级与铈的单电子仿若；
可毕竟—
十三钗同室操戈。
自旋轨道的耦合，
便劈裂了更多；
吸收近红外，
也就不假思索；
强吸收发红外，是有效的Emitter，^[19]
上转换Transfer，是伟大的Sensitizer!^[20]

图18. 镱（Image by ChatGPT）

镥啊，找到你，也有些曲折。^[21]
你是稀土的谢幕者， 
静立在队伍尽头，
完成了镧系的定格。
封闭的壳层，
成了4f-4f的荒漠。
作基质，辅掺杂，
只为把同伴衬托。
低声子，小半径
恪守着自己的沉默。

图19. 镥（Illustration created by ChatGPT）

稀土啊，你生于高压高热，
岁月沉淀了你的本色；
稀土啊，你勇于创新开拓，
成就了人类多少辉煌的时刻！

图20. （来源：https://sciencenotes.org/wp-content/uploads/2021/07/Lanthanide
-Contraction-1024x683.png） 

从铈到钬（轻声），
点石成金，你们造就了批量的硕博;
从镱到铽（渐强），
发光发热，你们贡献了无数的paper!-- 
篇篇荧光闪烁，
“区区” 知真见灼！^[25]
是你们，让书生寻到了工作，
让青椒蜕变成学者！
是你们，把论文转成了基金，
把人民币换成了Dollar！^[26]
你为多少人戴上桂冠，
——登上了Science Nature；
又为多少人套上枷锁，^[27]
——为了你,受尽了折磨。

图21. 图21 

对土当歌，人生几何？
稀土啊，
你是远古的传说，
却跳动时代的脉络。
你为我们——
照亮了屏幕，装点了夜色；
赐予了灵感，带来了困惑；
恰是如此，
才丰富了我们平淡的生活；
攒出来一首《稀土之歌》。

图22. 稀土之歌（ChatGPT绘图及表格）

注：文中光谱为自绘示意图。

王笑军，美国佐治亚南方大学物理学教授。1982年本科毕业于吉林大学，1985年硕士毕业于中国科学院，1987年获得美国佛罗里达理工学院硕士学位，1992年获得美国乔治亚大学博士学位，之后在俄克拉荷马州立大学任博士后及加州大学尔湾分校任 NIH Postdoc Fellow。1995年入职佐治亚南方大学工作至今，目前是Materials Research Bulletin (Elsevier) 期刊主编、Light: Science & Applications (Springer Nature)编辑以及美国物理学会会士（Fellow of the American Physical Society）。

       当年拜读其凤兄的《化学之歌》（写的不错，是真正的歌词，朗朗上口）。一激动差点写个《物理之歌》，想想一介非院士，作罢。又心有不甘，就写了几句稀土。唤作《稀土之歌》。今天清理文件。看到多年蒙尘的“残篇”，修补一下，又蛇足般随意加了点注和图，供稀土的朋友饭后一乐。难得还真有几位老师学生欣赏，哈哈，小有满足。

——王笑军- 10/09/2019.

       2024年底于上海小聚，有幸结识上海理工大学文理兼修的缪煜清教授，彼时他正在操办《科学与人文艺术》杂志，不仅邀我加入编委，还要把《稀土之歌》发在刊物上。窃喜，大有满足。不过也因此诚惶诚恐，白纸黑字，写得好是“窃喜”，写不好就是“露怯”了。于是今天认真改了一下，把不发光的镥也拉了进来。依旧博君一笑。

——王笑军（偶读玩笑君）- 08/31/2025。

1. RE3+的经典能级图英文里就称为“Dieke Diagram”。有次报告，下面的同事特别指出，因为他就是Dr Gerhard H. Dieke（见图）工作的物理系毕业的（Johns Hopkins）。那本书实际是他去世后几年后出版的（还有另外两位作者）。经典的另一个意思是，随着同步辐射源的应用，稀土能级图已经向高能扩展了很多。
2. 照片中左为Brian Judd，右为George Ofelt，1962年8月同时发表了后来被称为J-O理论的论文（PRB/JCP）。J-O理论发表~50年的时候，赶上波兰的国际发光会（2014），把二位请了回去（彼时Dr Ofelt已拄着拐杖，Dr Judd还很精神，另有照片。图中照片是网上的）。
3. J-O理论很符合胡适先生的一句名言：大胆的假设，小心的求证。
4. 不好意思，算我们的一个工作，叫persistent energy transfer。
5. Pr3+常用于4f5d能级吸收。
6. 如3P0能级常用于蓝光上转换的亚稳态（1D2则作为IR激光的亚稳态）。
7. YAG：Nd及倍频大概是实验室最流行的固体激光器。
8. 钷的名字，Promethium，源自希腊神话中的盗火者普罗米修斯（Prometheus）。
9. 5DJ发射及CT带导致的温度猝灭最早用于不同范围的测温。
10. 也是二价Eu非常稳定的原因(经典解释。量子力学的计算表明和轨道收缩有关)。
11. 基态的洪特定则。J：总角动量。
12. 改自毛泽东名句，原词为“正西风落叶下长安，飞鸣镝”。
13. Holmium源自Stockholm (拉丁语, "Holmia"), 发现者（之一）Per Teodor Cleve的家乡。
14. 钬的5GJ常用于激光发射。钬是所有元素中磁性最强的。
15. 多个能级的Stark劈裂常用于光学温度探针。
16. 读起来有点大舌头啊。
17. Cleve发现并命名。图勒，Thule→Thulium，Thule为古希腊地名。
18. 镱在发现和命名上有过争议。
19. DOI:10.1038/lsa.2016.124；DOI:10.1016/S1002-0721(07)60420-7（给Light和JRE做广告）。
20. 980 nm处， Yb3+比Er3+的吸收截面高一个数量级（10-20 vs 10-21 cm2）且吸收展宽（e.g. Al2O3波导中）。
21. 类似镱，法奥（地利）美三位科学家几乎同时发现了镥（实际早发现的镱中有镥）。最后的Lutetium源于Lutetia,古巴黎的罗马名字。
22. 有人开玩笑镧系不在Table（Periodical Table）上，而是坐在Bench上。
23. 4f 电子是所谓贯穿轨道，屏蔽效应很差。每增加的f电子，不足以屏蔽相应质子的库伦作用，使得外层（5s2，5p6，6s2）电子受到更强的有效核电荷吸引，造成了有规律的离子半径收缩。
24. 按大爆炸理论，时间仓促，高温的那几分钟，重原子（包括稀土）根本没能生成，必须等到后来的恒星演化与爆炸才产生。叫稀土也不为过。
25. 该死的分区啊！
26. 每年稀土出口换汇大概几十亿刀。
27. 也称卡脖，包括卡欧帝美帝。