What is 铯?
铯 (symbol Cs) is element 55 on the periodic table, a 碱金属 in period 6, group 1. The most reactive metal, the softest, and the atom that defines the second. At room temperature it is a solid.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示铯在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 265 pm — that is 0.265 nm, so about 1887 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
铯 is liquid over a 642 K window, from 302 K to 944 K.
故事
The most reactive metal, the softest, and the atom that defines the second.
1860年,德国化学家Robert Bunsen和Gustav Kirchhoff取得了一项将彻底改变化学和天文学的发现。他们使用新发明的光谱仪分析著名Dürkheim温泉的矿泉水时,注意到神秘的蓝色光谱线,这些光谱线与任何已知元素都不相符。
明亮的蓝色光谱线如此独特而美丽,Bunsen和Kirchhoff立即意识到他们发现了一种新元素。他们以其特征光谱发射的颜色为依据,将其命名为“caesium”,名称源自表示天蓝色的拉丁词“caesius”。
观察到铯的光谱特征是一回事,分离出真正的金属则完全是另一项挑战。他们历经三年的艰苦工作,处理了超过40吨矿泉水残渣,才提取出仅7克氯化铯,勉强够装满一把小勺子!
1881年,德国化学家Carl Setterberg终于通过电解熔融氰化铯分离出金属铯。结果十分惊人:这种银色金属反应性极强,会在空气中自燃,并在水中猛烈爆炸,因此铯被誉为反应性最强的元素之一。
数十年来,铯一直只是实验室中的新奇物质,直到20世纪50年代,科学家发现了它非凡的原子性质。1955年,英国国家物理实验室的Louis Essen和Jack Parry研制出铯原子钟,使铯从一种稀有奇物转变为现代精密计时的基础。
如今,铯的发现故事仍在延续。从1967年用于定义秒,到支持GPS技术和量子计算研究,这种在温泉水中发现的“天蓝色”元素已经成为现代文明最先进技术不可或缺的一部分。
应用
铯通过在原子钟中的应用彻底改变了现代技术。原子钟的精确度极高,3亿年内的误差不到1秒!铯-133原子的超精细跃迁定义了现代秒(9,192,631,770次振荡),使铯成为全球定位系统(GPS)、互联网同步和金融交易时间戳的基础。
GPS卫星完全依靠铯原子钟来保证精度。没有铯的精确性,GPS每天会漂移数英里!深空任务使用铯钟在数十亿英里的范围内进行导航,而射电天文学则依赖铯同步的望远镜阵列观测遥远星系。
铯的光电性质使其成为光电倍增管、夜视设备和图像增强器中的必需材料。铯蒸气能够通过磁力仪检测小至0.01纳特斯拉的磁场变化,这对地质勘测、考古发现和潜艇探测至关重要。
铯-137(放射性同位素)通过靶向放射治疗癌症,还可对医疗设备进行灭菌并保存食品。研究机构在粒子加速器中使用铯,并将其用作伽马射线光谱学的校准标准。
铯离子推进系统只需使用少量铯,就能为航天器提供数年的动力。铯化合物可催化有机化学反应,而铯的低功函数使其在可将热量直接转换为电能的热离子转换器中具有重要价值。
每当你在汽车或智能手机上使用GPS导航时,实际上都在依赖铯原子钟!卫星中的超高精度计时器确保你的定位精确到几米以内。
手机基站和互联网基础设施使用铯钟同步数据传输。证券交易所的高频交易依靠铯的纳秒级精度,为价值数十亿美元的交易添加时间戳。
医疗器械和用品使用铯-137辐射进行灭菌,确保其适用于手术和医疗操作。你在医院接触到的许多一次性医疗产品都经过铯灭菌处理。
一些进口食品使用铯辐射来杀灭细菌并延长保质期,无需使用化学品。这一过程能够保持营养价值,同时确保食品在长途运输过程中的安全。
安防摄像机、军事设备和天文仪器使用铯增强型光电阴极来放大微弱光线,从而在接近完全黑暗的环境中实现清晰视野。
大学物理实验室使用铯标准校准灵敏仪器,而地质勘测则使用铯磁力仪绘制地下矿藏和石油储备分布图。
来源
3 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 62% of elements
铯是地球上最稀有的稳定元素之一,在地壳中的丰度仅为每百万份3份。这种稀缺性使铯比许多宝石更加珍贵,但其独特性质又使其在现代技术中不可替代。
铯的主要矿石是铯榴石(CsAlSi₂O₆),主要产于加拿大马尼托巴省偏远的Tanco矿,该矿供应全球约80%的铯。津巴布韦的Bikita矿以及巴西、中国和纳米比亚的零星地区也有较小矿床。
铯集中在花岗伟晶岩中,这些岩石是冷却岩浆最终结晶形成的产物。花岗岩经过数百万年冷却后,铯会集中到最后剩余的液体部分,最终在这些地质宝库中形成富铯矿物。
世界各地的矿泉和盐矿床中都含有微量铯。欧洲著名的温泉中含有痕量铯,一些黏土矿床也会在地质时期通过离子交换过程富集铯。
铯通过s过程(慢中子俘获)在超新星爆炸中形成,因此属于宇宙中的稀有元素。恒星光谱学能够在某些演化恒星的大气中检测到铯,帮助天文学家了解恒星核合成过程。
全球铯年产量仅约20吨,还不到三头大象的重量!这种极度稀缺性,加上原子钟和电子产品需求的不断增长,使铯成为战略上最重要的元素之一。
处理
危险:金属铯是地球上反应性最强的元素之一!它会在空气中自燃,并在水中猛烈爆炸,产生氢气和具有腐蚀性的氢氧化铯。未经专业培训且没有适当设施,绝不要接触金属铯。
铯-137具有很强的放射性,半衰期为30年。接触会导致辐射中毒、癌症和遗传损伤。1987年巴西戈亚尼亚事故中,拾荒者发现了被遗弃的铯-137,造成4人死亡和大范围污染,凸显了其极端危险性。
应在充有氩气的惰性气氛手套箱中处理铯化合物。穿戴全套防护装备,包括面罩、耐化学品防护服和自给式呼吸器。附近应配备适用于金属火灾的灭火器。
绝不要用水扑灭铯火灾,这会引发爆炸性反应!应使用干砂、氩气或专用金属火灾灭火器。立即疏散该区域,并针对铯-137事故联系危险品处理专家。
铯化合物可能在生物系统中取代钾,扰乱细胞功能。症状包括肌肉无力、心律问题和瘫痪。铯-137污染需要立即就医并接受专业治疗。
由于铯具有极强反应性和潜在放射性,铯废物需要由专业核设施处理。绝不要将含铯材料作为普通废物处理,应联系核监管机构了解正确的处理程序。
快速回答
铯 (symbol Cs) is element 55 on the periodic table, a 碱金属 in period 6, group 1. The most reactive metal, the softest, and the atom that defines the second. At room temperature it is a solid.
[Xe] 6s¹, giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 8, 1 electrons respectively.铯 melts at 301.6 K (28.4 °C) and boils at 944 K (670.9 °C). It will melt in a warm room or in the palm of your hand.
The standard atomic weight of 铯 is 132.905 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
铯 has a density of 1.93 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铯 is about 1.9× heavier.
铯 has a Pauling electronegativity of 0.79. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
铯 was discovered in 1860 by Bunsen & Kirchhoff. It is named after latin caesius, "sky blue".
铯 makes up about 3 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.