テルビウム（Tb）

テルビウム（Tb）はランタノイド（希土類）に属し、4f電子に由来する強い磁気異方性・発光（特に緑色）・磁気光学応答が、材料機能へ直結する元素である。とりわけ永久磁石の高温特性（Dy/Tb添加）、緑色蛍光体（Tb³⁺）、巨大磁歪合金（Tb–Dy–Fe系）といった「磁気」と「光」の両輪で産業実装が進み、同時に資源・分離精製・供給集中が研究開発の外部制約として常に併走する点が本質である。

参考ドキュメント

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Terbium（基本物性・概要） https://periodic-table.rsc.org/element/65/terbium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025 — Rare Earths（資源・需給の一次資料） https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-rare-earths.pdf
• 経済産業省（日本語）：永久磁石に係る安定供給確保を図るための取組方針（Dy/Tb等を含む供給課題の整理） https://www.meti.go.jp/policy/economy/economic_security/magnet/magnet_hoshin.pdf

1. 基本情報

項目	内容
元素名	テルビウム
元素記号 / 原子番号	Tb / 65
標準原子量	158.92535（代表値）
族 / 周期 / ブロック	ランタノイド / 第6周期 / fブロック
電子配置	$[\mathrm{Xe}]4f^{9}6s^2$
常温常圧での状態	固体（金属）
常温の結晶構造（代表）	金属Tb（温度で多形をとり得る）
代表的な酸化数	$0,+3$（基本）、条件により $+4$ が化合物で現れ得る
代表的イオン対（溶液化学）	${\mathrm{Tb}}^{3+}$（基本）
主要同位体（研究上重要）	${}^{159}\mathrm{Tb}$（天然に事実上1種類の安定同位体として扱われることが多い）、医療核種として ${}^{149,152,155,161}\mathrm{Tb}$ が研究対象
代表的工業形態	${\mathrm{Tb}}_4{\mathrm{O}}_7$ 等酸化物（分離製品）、永久磁石用添加材（Dy/Tb）、蛍光体（Tb³⁺）、磁歪材料（Tb–Dy–Fe系）、磁気光学材料（概念的用途を含む）

• 補足（設計可能性の要点）
  • Tbは化学としては ${\mathrm{Tb}}^{3+}$ が基本で、電子状態（4f多重項）と結晶場・スピン軌道相互作用が「磁気異方性」「発光線の鋭さ」「磁気光学応答」の源になる。
  • 材料の出口は大きく、(i) 磁石の高温保磁力確保（Dy/Tb添加）、(ii) 緑色発光（Tb³⁺）、(iii) 巨大磁歪（Tb–Dy–Fe）に分岐する。いずれも「元素Tb単体」より、ホスト相・局所環境・微細組織が機能を決める。
  • 供給の観点では、希土類は「掘る」より「分ける（分離精製）」が工業支配因子になりやすく、製品の純度・形態（酸化物、金属、合金）まで含めて材料議論を組み立てる必要がある（USGS、経産省資料）。

2. 歴史

• 希土類分離と元素同定

  • テルビウムは19世紀の希土類分離研究の文脈で確立した元素であり、化学的性質が近いランタノイドを分ける技術史と不可分である。
  • 希土類元素は「元素の発見史」がそのまま「分離精製技術の発展史」になりやすく、材料としての普及も湿式分離（溶媒抽出・イオン交換）の成熟と強く連動してきた。

• 発光材料としての定着（Tb³⁺の緑）

  • 20世紀後半以降、Tb³⁺の4f–4f遷移に由来する緑色発光は、蛍光体・ディスプレイ・照明の材料開発で重要な役割を担った。
  • 発光の議論は、発光中心（Tb³⁺）とホスト（酸化物・フッ化物・ガーネット等）の組合せ問題であり、局所対称性とフォノン（非放射緩和）が性能を規定するという材料学の基本例になる。

• 磁性材料としての位置づけ（磁石・磁歪）

  • 希土類元素は4f由来の大きな異方性を与え得るため、永久磁石の温度特性や減磁耐性を高める添加元素として重視されてきた。TbはDyと並び、Nd–Fe–B系磁石の高温保磁力向上の文脈で議論されやすい（経産省資料）。
  • 一方でTbは巨大磁歪材料（Tb–Dy–Fe系）の主役にもなり、磁気エネルギーを機械ひずみに変換する材料群（アクチュエータ・トランスデューサ）を成立させた。

3. テルビウムを理解する

• 電子状態（4f電子：局在性と多重項）

  • Tbの4f電子は局在性が強く、スピン角運動量と軌道角運動量が強く結びつく。これが大きな磁気異方性や磁気光学応答の源となる。
  • 固体では、結晶場により4f多重項が分裂し、温度や外場で占有が変化することで、磁化・比熱・磁歪・光学応答に特徴が現れ得る。

• 酸化数（基本は$+3$、材料では局所環境が支配）

  • Tbは基本的に ${\mathrm{Tb}}^{3+}$ として扱われ、酸素配位子と結びつきやすい硬い酸として振る舞う。
  • Tb³⁺は4f–4f遷移が禁制則により鋭い線スペクトルになりやすいが、ホスト格子のフォノンが高いと非放射緩和が増え、発光効率が下がり得る。したがって「Tbを入れる」だけではなく「ホストを選ぶ」ことが設計の本体となる。

• 磁性（異方性・高温特性・磁気弾性）

  • 永久磁石の文脈では、希土類の異方性は高温での保磁力維持に効くが、同時に供給・価格・添加量の最適化が設計の一部になる（経産省資料）。
  • 巨大磁歪材料の文脈では、Tb–Dy–Fe（Terfenol-Dとして知られる系）において磁化変化が格子ひずみに強く結合し、大きな磁歪が得られる。これは4f由来の磁気異方性とFe系の磁性・弾性が合金相で接続した結果として理解できる。

• 資源（希土類鉱床と分離精製）

  • Tbは単独鉱物として産することは稀で、モナザイト、バストネサイト、ゼノタイム、イオン吸着型鉱床などに他のランタノイドと混在して産する（USGS等の整理が入口として有用である）。
  • 工業的には分離精製（溶媒抽出段数、試薬、排水処理）がコストと環境負荷を支配し、「軽希土」と「重希土」で得やすさが異なる点が供給議論の基礎になる。

• 循環（磁石・部材からの回収）

  • 希土類磁石の回収は、合金として回収する段階と、元素へ再分離する段階が区別される。後者は分離精製の負担が大きくなりやすく、国内工程の確立が政策・技術課題として扱われている（NEDOや公的資料の事業整理が参考になる）。

4. 豆知識

• Tbの名前は「スウェーデンの村」由来で、同じ地名から複数の希土類が生まれた

  • テルビウム（Tb）やイットリウム（Y）、エルビウム（Er）、イッテルビウム（Yb）は、スウェーデンのYtterby（イッテルビー）という地名に由来することで知られる。
  • これは希土類の発見史が「特定地域の鉱物学・分析化学の発達」と強く結びついていたことの痕跡であり、元素記号が“地質学の現場”と接続している例である。
  • 材料分野では元素記号だけが前面に出がちだが、Tbという記号の背後に分離精製史があることを知ると、希土類の供給議論が腑に落ちやすい。

• 「緑」といえばTb³⁺：4f–4f遷移の鋭さが“色の純度”を作る

  • Tb³⁺は緑色発光中心として非常に有名で、4f–4f遷移に起因する線スペクトルが、色度の設計に有利に働く。
  • ただし同じTb³⁺でも、ホスト格子の対称性やフォノン、濃度消光（Tb同士のエネルギー移動）で発光効率が大きく変わるため、「Tb添加量＝性能」にならないところが面白い。
  • この性質は、発光材料が“元素選択”ではなく“局所環境設計”で決まることを示す入門例になる。

• Tbは「磁石の脇役」に見えて、実は“高温で効く設計変数”になり得る

  • Nd–Fe–B磁石ではDyやTb添加が高温での保磁力維持に関係するが、添加は磁化低下やコスト増ともトレードオフになり得るため、用途と温度域で最適化が必要である（政策資料でも安定供給とセットで論じられる）。
  • したがってTbは、最大性能の追求というより「必要な温度域で必要な減磁耐性を満たす」という仕様設計の変数として理解すると位置づけが明確になる。
  • 研究としては、Tbがどの部位（粒界相・表層拡散層など）に入ると効率よく異方性が立つか、という“配置の設計”が論点になる。

• Terfenol-Dの語源は元素記号の合成で、Tbの存在感がそのまま名前に出ている

  • 巨大磁歪合金Terfenol-Dは、Terbium（Ter）、Iron（Fe）、Naval Ordnance Laboratory（NOL）に由来する名称として語られることが多い。
  • 材料名に元素記号が直接刻まれていること自体が、この系でTbが機能の根（磁気弾性結合の強さ）を握っていることを象徴している。
  • “磁歪＝鉄系”という直感から外れて、希土類4fが磁歪を押し上げるという構図は、磁気弾性の理解を一段深める入口になる。

• Tbの医療核種は「同じ元素で診断と治療を並べる」発想に接続する

  • テルビウムには、治療（β⁻、α）と画像（PET/SPECT）に使える核種の組合せが議論されており、同一元素で化学手順や薬物動態を揃えやすい点が利点として述べられることがある（例：Frontiers in Medicineの整理）。
  • これは元素周期表の知識が、医療の“製剤・標識・輸送”の設計思想へ接続する例であり、材料科学とは別方向の出口として興味深い。

5. 地球化学・産状

5.1 主な鉱石・鉱物形態

• モナザイト（monazite）：リン酸塩系（希土類＋Th等を含み得る）
• バストネサイト（bastnäsite）：炭酸フッ化物系（軽希土が多い傾向）
• ゼノタイム（xenotime）：リン酸塩系（比較的重希土側が多い場合）
• イオン吸着型鉱床：粘土鉱物への吸着（重希土が相対的に得られやすいと整理されることがある）

補足：

• Tbは重希土側に位置づけられやすく、鉱床タイプにより共存元素比が変わる。したがって鉱床の違いは、分離後の元素ポートフォリオとコスト構造へ直結する。
• 希土類鉱石は放射性元素（Th、Uなど）を含み得るため、精鉱・残渣の管理や規制が工学的制約として入りやすい（資源議論では頻出の論点である）。

5.2 鉱床と地球史の接点

• 希土類鉱床は火成活動・熱水活動・堆積過程と結びついて形成され、同じ希土類でも地質背景が大きく異なる。
• Tbそのものの同位体系が地球化学の主役になる場面はNdほど多くないが、「希土類が地球史の記録媒体になり得る」という視点は、資源元素を学ぶ動機づけとして有効である。

5.3 地球深部

• Tbは地球深部主要成分ではないが、希土類の分配や濃集は地殻形成・鉱床形成の過程を反映し得る。
• 結果としてTbは、材料機能（磁石・発光）と資源地球科学（鉱床・分離精製）の両方に脚を持つ元素として位置づく。

6. 採掘・製造・精錬・リサイクル

6.1 採掘・選鉱・濃縮

• 希土類鉱石は破砕・粉砕後に比重選鉱、磁選、浮選などで希土類鉱物を濃縮し、精鉱として化学処理へ送る。
• この段階では希土類元素は混合物であり、元素別の価値は分離工程で初めて顕在化する。

6.2 化学処理（浸出・分離）

• モナザイトやバストネサイト等は酸・アルカリで分解し、希土類を溶液へ移したのち、溶媒抽出で元素ごとに分ける。
• ランタノイド同士は化学的性質が近いため、抽出段数が増えやすく、試薬・溶媒管理や排水処理が技術的・環境的負担になりやすい（USGSの需給整理は、この工業構造を理解する入口になる）。

6.3 金属化（酸化物→金属）

テルビウムは酸化物として得られることが多く、金属化は熱化学還元や溶融塩電解が選択肢となる。概念反応としては

$${\mathrm{Tb}}_4{\mathrm{O}}_7+7\mathrm{Ca}\to 4\mathrm{Tb}+7\mathrm{CaO}$$

のように強還元剤（Caなど）を用いる還元が例示される。実際には塩化物やフッ化物を経由する工程設計が組み合わされ、純度・形態・コストが決まる。

6.4 材料化（磁石添加・発光材料・磁歪材料）

• 磁石用途では、Tbは合金・添加材として扱われ、粒界拡散や表層改質のような“配置の最適化”で少量でも効果を得る設計が議論されることがある。
• 発光用途では、Tb³⁺をホストへ固溶させた蛍光体として設計され、ホスト選択と欠陥制御が性能を決める。
• 巨大磁歪用途では、Tb–Dy–Fe系（Terfenol-D）で合金相と組織を制御し、磁歪と機械的健全性の両立が課題となる（磁歪アクチュエータの工学レビュー等が設計の入口になる）。

6.5 循環（回収と再資源化）

• 希土類の循環は、回収物の形態（磁石スクラップ、研磨粉、工場端材）と分離精製工程の成立性が鍵になる。
• 日本語の公的事業では、部素材からのレアアース分離精製技術開発が継続的に扱われており、供給と材料機能が結びついた領域である（NEDO事業ページ等）。

7. 物理化学的性質・特徴

7.1 電子構造と結合

• Tb金属は典型的なランタノイド金属として、4f電子の局在性が強く、結合の主役は6s（および一部5d）に寄ると整理されることが多い。
• 一方、化合物・固溶体では局所環境（配位、結晶場、欠陥）により4f準位の分裂や緩和が変わり、磁気異方性・発光寿命・磁気光学応答に差が生じ得る。

7.2 結晶と相

• 金属Tbは温度で結晶構造が変化し得る（希土類金属に共通して六方系に近い積層構造が現れやすい）。
• 材料設計では、金属Tb単体の物性値より、酸化物・フッ化物・間化合物・添加相での機能が支配的になる場合が多い。

7.3 磁性（Tb単体とTb含有材料）

項目	内容（要点）	備考
Tb金属の磁性	温度依存の磁気秩序を示し得る	4f多重項と結晶場が効く
磁石用途でのTb	高温での減磁耐性（保磁力）に関係し得る	添加量・配置が設計変数
磁歪用途でのTb	Tb–Dy–Fe系で巨大磁歪が得られる	相・組織と応力状態が重要

• 補足（磁歪の見取り図）
  • 磁歪は磁化状態と格子ひずみの結合として表せ、簡略化すると磁歪エネルギーを$$E_{\mathrm{me}}=-\frac{3}{2}{\lambda }_s\sigma$$のように記述することがある（${\lambda }_s$：飽和磁歪、$\sigma$：応力）。巨大磁歪材料では、${\lambda }_s$が大きいだけでなく、応力下での磁化過程（磁区回転・磁壁運動）をどう安定化するかが実装上重要になる。
  • Terfenol-D（Tb–Dy–Fe系）に関する工学レビューやモデル研究では、応力と磁化の相互作用を含めた設計の整理が行われている。

7.4 熱物性・力学・輸送

項目	値（代表値）	備考
融点	1356 ℃（代表値）	RSC等の値が入口
沸点	3230 ℃（代表値）	同上
密度	約 8.23 g cm${}^{-3}$（代表値）	同上

• 補足
  • 希土類金属の物性値は純度・相・測定条件で差が出得るため、工学設計では「目的材料（酸化物、合金、複合体）」の熱膨張・熱伝導・強度が重視される。
  • 磁歪アクチュエータでは発熱・熱応力が性能と信頼性に直結し、磁気特性だけでなく熱設計が必要になる。

7.5 電気化学（標準電位の位置づけ）

• ランタノイド金属は一般に標準還元電位が非常に負側にあり、水溶液中で金属状態が熱力学的に安定でない側に位置づく。
• 代表的な枠組みはネルンスト式であり、条件（活量、錯形成、沈殿）により実効的な挙動が変わる。

$$E=E^{\circ }-\frac{RT}{nF}\ln Q$$

• Tbに限らず希土類の電気化学は、溶媒・配位子・固液平衡（酸化物・水酸化物の沈殿）で見え方が変わるため、数値の暗記より反応場の整理が重要である。

7.6 酸化状態・錯体化学・発光

• Tb³⁺は酸素供与配位子と結びつきやすく、無機ホスト中での発光中心として利用される。
• Tb³⁺発光は4f–4f遷移に由来し、鋭い緑色線を示し得る。ホスト格子のフォノンが高いと非放射緩和が増えるため、フッ化物など低フォノンホストが有利になる場合がある。
• 濃度を上げるとTb–Tb間のエネルギー移動により濃度消光が起こり得るため、発光中心濃度と欠陥（補償電荷）の設計が重要になる。

7.7 拡散・欠陥・相平衡（磁石・磁歪材料の観点）

• 磁石用途では、希土類元素の拡散と粒界相が保磁力機構に影響し得るため、熱処理履歴と拡散長の設計が論点になる。
• 磁歪用途では、Tb–Dy–Fe系の相安定性（Laves相等）と結晶方位、微細割れ・脆性など機械的制約が性能と実装可能性を左右する。したがって「磁歪の大きさ」だけでなく、加工性・信頼性を含めた材料設計が必要になる。

7.8 同位体と核・医療（Tbの“核種セット”）

• テルビウムは医療核種として、治療・画像化に使える複数の同位体を同一元素で揃えられる点が特徴として紹介されることがある。
• 例として、${}^{149}\mathrm{Tb}$（α・PET）、${}^{152}\mathrm{Tb}$（PET）、${}^{155}\mathrm{Tb}$（SPECT）、${}^{161}\mathrm{Tb}$（β⁻＋Auger、治療＋SPECT）といった整理が示され、同じ元素を用いることで化学手順や薬物動態を揃えやすい利点が述べられている。
• これは材料科学の枠外に見えるが、「元素の化学が実装（標識・輸送・品質管理）を規定する」という意味で、元素理解の応用先として重要である。

8. 研究としての面白味

• 4f電子物性が材料機能へ翻訳される瞬間が見える

  • Tbは局在電子、多重項、結晶場、スピン軌道相互作用といった固体物理の概念が、磁気異方性・磁歪・磁気光学・発光として直接現れる。
  • 遷移金属の遍歴電子系とは異なる設計語彙（局所環境、結晶場、非放射緩和）が必要になり、物理と化学の境界が見えやすい。

• 巨大磁歪（Tb–Dy–Fe）は磁気弾性の教材として強い

  • 応力下の磁化過程、エネルギーランドスケープ、ヒステリシス、熱・機械との連成が同時に現れる。
  • そのため、実験（磁化・ひずみ・動特性）と計算（磁気弾性モデル、有限要素、マルチスケール）が往復しやすい研究対象になる。

• 資源・分離精製・供給が研究条件として入り込む

  • Tbは供給集中や分離精製の重さが材料実装を左右しやすく、物性だけで完結しない。
  • したがってUSGS等の一次資料や日本語の政策資料を併用し、材料価値を技術＋供給の同一図で語る訓練になる。

9. 応用例

9.1 材料設計の軸

• 永久磁石：高温での減磁耐性、添加量最適化、粒界・拡散の設計
  • Tb（およびDy）は高温特性に関係し得る一方、コスト・供給・磁化低下とのトレードオフがあるため、用途温度域と仕様から最適化する。
• 発光材料：ホスト格子、非放射緩和の抑制、濃度消光の回避
  • Tb³⁺の緑発光を高効率に取り出すには、ホストのフォノンと欠陥化学が鍵になる。
• 磁歪材料：磁歪の大きさと機械的健全性の両立、応力下特性、熱設計
  • Terfenol-D系では巨大磁歪だけでなく、脆性や加工性、応力依存性を含めた設計が必要になる。

9.2 具体例

• 高温・過酷環境向け磁石（用途の一部でTb/Dyが関与）
  • モータ、発電、センサ等で高温域の減磁耐性が課題になる場合、希土類添加や粒界設計が議論される。
• 緑色蛍光体・光機能材料
  • Tb³⁺発光中心を用いた蛍光体は、表示・照明・光計測で長く利用され、ホスト設計の研究が継続している。
• 磁歪アクチュエータ・トランスデューサ
  • Tb–Dy–Fe系の巨大磁歪は、アクチュエータ、超音波・ソナー系トランスデューサ、エナジーハーベスティング等の設計要素となる（工学レビューやモデル研究が整理の入口になる）。
• 医療核種（研究開発領域）
  • Tb同位体群は、診断（PET/SPECT）と治療（β⁻/α、Auger）を同一元素で扱う概念に接続し、放射性医薬品開発で注目されている。

10. 地政学・政策・規制

• 供給集中と分離精製の支配性

  • 希土類は採掘だけでなく分離精製・金属化・合金化の工程に集中が生じやすく、供給リスクが材料選択を制約し得る（USGSの整理が一次情報として有用である）。
  • Tbは重希土側として語られやすく、鉱床タイプや分離工程の違いが供給量・コストへ直結する。

• 日本の政策文脈（永久磁石の安定供給）

  • 日本語の政策資料では、永久磁石の安定供給確保が議論され、Dy/Tb等を含むサプライチェーン課題と対策の方向性が整理されている。
  • 材料研究では、代替材料開発だけでなく、添加量削減（効率化）や回収・再資源化を含む体系設計が要請されやすい。

• 規制の入り方（放射性元素混入、残渣管理）

  • 希土類鉱石はTh等を含み得るため、残渣・廃棄物の管理、輸送、環境規制が工程選択へ影響し得る。
  • これは材料特性に直接現れにくいが、原料段階の外部制約として無視できない。

まとめと展望

テルビウム（Tb）は、4f電子に由来する磁気異方性・発光（緑）・磁気弾性結合を通じて、永久磁石の高温特性、蛍光体、巨大磁歪材料という複数の産業領域を横断する元素である。今後は、希土類の分離精製・循環技術の高度化と、磁石の高温仕様・高効率化要求、さらに医療核種としての展開が並行して進むことで、Tbの材料価値は「性能」だけでなく「供給と工程の設計可能性」を含めて再評価される局面が広がると見込まれる。

参考文献

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Terbium https://periodic-table.rsc.org/element/65/terbium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025 — Rare Earths https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-rare-earths.pdf
• 経済産業省（日本語）：永久磁石に係る安定供給確保を図るための取組方針 https://www.meti.go.jp/policy/economy/economic_security/magnet/magnet_hoshin.pdf

その他参考にしたsources

• JOGMEC（日本語）：鉱物資源マテリアルフロー 2021 7.レアアース（REE） https://mric.jogmec.go.jp/wp-content/uploads/2022/08/material_flow2021_REE.pdf
• NEDO（日本語）：部素材からのレアアース分離精製技術開発事業（事業ページ） https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100245.html
• Cassells et al., Radiolabeling of Human Serum Albumin With Terbium-161…（Tb同位体群の医療応用整理を含む） https://www.frontiersin.org/journals/medicine/articles/10.3389/fmed.2021.675122/full
• Patil, Engineers guide to Terfenol-D actuators（Terfenol-Dアクチュエータの工学的整理） https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666053924000523
• Thoelke et al., Magnetization and magnetostriction in…（Terfenol-Dの磁歪に関する基礎研究の入口：OSTI） https://www.osti.gov/biblio/10190712