【稀有和散存金属】两个蓝色的陌生人——铯

历史是挑剔的，很少有人能在它的重要章节中占一席之地。在化学界，只有那些以某种方式超过竞争对手的个体，才能获取这种荣誉。这在某种程度上是合乎逻辑的。难道锝作为历史上第一个人造元素，没有权力占有特殊地位吗？还有氦，元素周期表中唯一的居民，首先从太阳上被发现，然后才从地球上找到。幸运者还包括铯，在光谱分析的历史上，它的名字是用蓝色书写的，德国的本生和基尔霍夫是书写者。至于为什么是蓝色，你很快就知道。

那是十九世纪五十年代，海德堡大学的本生教授被一种貌似无足轻重的现象所吸引，他发现盐放在火苗中会变色。其实这个现象以前就有人发现过。本生出于浓厚的兴趣开始认真研究这个现象。他把各种物质颗粒放在炉子上烤，它们会呈现各种各样的颜色，时而紫色，时而黄色，时而粉色。本生的实验说明了两个事实：第一，每种金属都让火焰呈现出一种独特的颜色；第二，这种颜色和金属的状态无关。所有钡的化合物都会让火焰呈现绿色，而钙呈现红色。

那么是否可以通过这种现象来确定物质中所含的元素种类呢 ？ 那将给化学分析带来一场革命。这个主意的确很吸引人，但实施起来并不容易因为一个物质含有多种成分，可能混淆实验结果。一种物质会使火焰呈现出色彩的交响。有些色彩，比如钠的亮黄要比钾的紫色明亮很多。一种颜色和另一种混合在一起，暗淡的色彩和色调会淹没在明亮的颜色中。准确的分析就很难做到。

那是否意味着我们放弃这种方法呢 ？ 在很多童话里，绝境中往往会出现一个善良的王子或者公主解决了所有问题，最后皆大欢喜。本生教授的朋友和同事基尔霍夫就是那个“ 王子 ”，他当时已经是个著名的光学专家了，他研究的领域是固体和液体加热后的光谱分析。他告诉本生，应该研究的不是火焰本身，而是它的光谱，这就能更清楚地了解不同的色彩和色调了。基尔霍夫用两个小望远镜，一个玻璃棱镜和小盒子制造了一个分光镜。以前人们研究火焰是用裸眼观察，现在通过镜片和棱镜，火焰变成一条不同颜色组成的光带。

本生把食盐晶体放在火焰中，基尔霍夫在分光镜里看到黑色背景中两条亮黄色光带。毫无疑问，这显示钠的“ 到访 ”。钠的化合物如碳酸钠、硝酸钠和硫酸钠也同样在光谱中类似位置呈现出两条亮黄带。

几周以后，上百种不同的物质陆续经过了火焰、棱镜和望远镜片的测试。两位科学家确信每一种元素都有自己独特的光谱线，就像每个人都有自己独特的指纹一样，通过光谱线可以识别不同元素。物质中的任何成分，哪怕只有一毫克的百万分之一，也逃不过分光镜的眼睛。

本生和基尔霍夫研究了所有的化学元素，并为每位元素描绘了独特的光谱图。他们的工作标志着光谱分析学的诞生。这种全新的方法不仅仅能指出物质的成分，还能通过测量光谱线强度判断每种成分的含量。

1860 年的一天，本生的实验室收到一个包裹，里面是来自著名黑森林的矿泉水。当地的医生向他询问矿泉水的成分，从而确定水的医用价值。本森蒸发处理这些矿泉水，把浓缩的样品放在火焰中观察。通过分光镜，他敏锐地发现了钠、钾、钙、锶和锂。但还有两条蓝线他无法确定。是锶吗 ？ 但锶已经有一条蓝线了。本生对比了所有已知的光谱标准图，还是不能确定，基尔霍夫也没法确定。这意味着他们可能发现了一个新元素。他们把它叫做铯（拉丁语的意思是天空一般的蓝 ）。

铯是第一个不用化学方法而是光谱分析方法被发现的元素。以后，光谱分析还导致了很多元素的发现，比如铷、铊、铟、镓和钐。当然铯还是光谱分析的处女作。

几年以后，铯却为一件离奇的化学事件揭开了谜底。很长一段时间这个事件让很多国家的化学家感到困惑，虽然大侦探如福尔摩斯和梅格雷也未必能有兴趣破案。1846 年德国科学家普拉特纳从事铯榴石的研究，这是一种来自意大利厄尔巴岛的矿石。分析矿石成分的工作并不困难，但他却被一个问题难住了，无论怎么计算各种成分，它们的总和只能算出 93% 的质量。那剩下的 7% 去哪里了 ？ 这个问题二十年中没有人能回答。直到 1864 年意大利科学家皮萨尼发现铯是解开这个质量不足问题的答案。普拉特纳的问题是他把铯误认为钾，这两个元素虽然化学性质类似，但铯比钾重两倍。

铯是稀有元素，但可以在山岩和海水中找到。至于其和矿泉水的关系，上文已经提到（不过本生当时蒸发了 40 吨的的矿泉水才得到几克铯盐 ）。有趣的是，铯还可以在甜菜、咖啡豆和茶叶中被发现。很多吸烟的人也一定很熟悉：在烟灰的光谱中有两道蓝线。如果金属按照活性发奖章，那权威的化学家一定会把奖章颁给铯。它不仅仅是元素周期表里最有金属性的元素（钫除外，不过钫在自然界几乎不存在 ），而且也是化学性质最活跃的。在空气中，纯铯立刻燃烧。它可以和硫和磷发生剧烈反应，更不用说金属的“ 对头 ”卤素了。和水结合也会发生“ 剧烈冲突 ”。氢被释放导致爆炸和着火。就连相对“ 平和 ”的冰也不能与之和平相处：铯和冰也会剧烈反应，温度再低也是一样，除非达到极低温的零下 116 摄氏度以下。所以获得纯铯是很困难的。这个问题于 1882 年被瑞典化学家 K. 赛特伯格通过电解的方法解决了。现在提取的方法是 1911 年法国化学家 A. 阿克斯皮尔发现的：在 700 摄氏度下用金属钙从氯化铯里把铯提取出来。就算获得了不稳定的纯铯，如何保存呢 ？ 这个问题的答案有点矛盾，铯必须和其他金属融合保存，因为铯合金不很活跃，而且可以在真空条件下直接提取出纯铯。

“ 新鲜 ”的纯铯是一种淡金色的有光泽的金属，软的如蜡一般，轻的像镁和铍。我们都知道汞是熔点最低的金属，不过铯的熔点也是很低的，其熔点是28.44 摄氏度，人的手掌温度就可以融化它，不过你要记住铯“ 暴躁 ”的特性，千万别用手去拿。

用铯做部件肯定行不通，无论是有负荷的机器还是接触活性化学物质的锅炉等。是不是这种“ 别碰我 ”的高贵金属除了科学研究外就一无是处呢 ？ 当然它确实没有铁、铝和钛实用， 但它还是有自己独特的性质，为了解释这种特性，我们需要回到十九世纪。

1887 年一位著名的德国物理学家海因里希 ·赫兹发现了光电效应现象：在光的照射下电子会被激发出来。很快莫斯科大学的 A. G. 斯托雷托夫进行了一系列实验并形成了光电效应的理论基础。这个现象的原理是：如果光足够强，可以把金属原子的外层电子激发出来成为光电子。在金属外面加一个闭合电路，这些逸出的光电子可以形成光电流。

不同金属对光的反应不尽相同，有的哪怕被微弱光线照射也会释放电子有的被强光照射也不会。而铯就是一种很“慷慨 ”的金属，这其中是有原因的：所有的碱金属（铯是最典型代表 ）的最外层轨道上只有一个电子，所以很容易被光激发出来。铯的这个最外层电子相比其他碱金属距离其原子核更远，因此激发最外层电子几乎“ 不费吹灰之力 ”，所以铯是很理想的光电池材料。铯锑合金用于光电池中，其光敏合金层非常薄，1 克金属就可以覆盖 10 平方米的表面。我们在地铁中会碰到光电池。它们被放置于乘客每天通过的旋转十字门内，原理很简单：一边装上光电池，另一边装着光源，打在每个通过的乘客身上。如果你不投币就穿过光源，光电池就会启动栏杆拦住你的去路。但一旦你留下“ 买路钱 ”，光电池就会自动放过你。

光电池尽管简单，但却是非常有用的设备。一旦城市入夜，光电池就会打开城市照明；一旦机器操作者的手进入危险区域，它会自动停车；它还可以分拣香烟；给传送带上的元器件计数，检查轴承上光的质量；读取电影胶片上的音轨等。它是最可靠的商店、银行和仓库的保安卫士。

如果没有光电池，长距离传输视频信号将是不可思议的事情。每当你看一场冰球比赛、音乐会或者恐怖电影时，你就应该感谢铯的贡献。没有铯，电视机无非就是个空壳子。

光电池还可以为月球背面拍照。没有这些光敏的电子，我们就无法用电报传送图画、报表、照片和信件这类的信息了。内窥视镜也是利用了铯的光电特性，才能看到一个不透明物体内部的问题。铯对红外射线比较敏感，所以可以用于夜视设备和显微设备。

给铯加热也可以获得类似光电效应一样的结果。所以铯金属经常被转换成等离子气体状态。铯等离子气体有巨大的实际和理论意义。在外太空气体稀薄条件下，铯原子释放的电子流可以产生巨大推力使火箭加速到每秒 44 千米的速度。也许利用铯电池燃料的火箭将不再遥远，可以把我们送到宇宙最远的地方。

目前，铯等离子体在地球上也大有用武之地。通过磁流体动力发电机，我们可以把热能转化成电能。这个发电机的优势是设计简单：电离后的气体变成了马达。铯是热离子能量转换器的重要成分。最早的类似装置，托帕石已经在苏联投入使用。铯也是很多科学研究 的对象。几年前德国比勒菲尔德大学的物理学家进行了一次有趣的实验。实验过程只有十分之一秒，但准备却花了两年。铯的原子放置在一个特殊设备之中，被强激光照射，结果原子处于强激发状态，导致其电子轨道膨胀了几万倍。

一组美国橡树岭的物理学家发明了一种对元素的原子进行计数的方法，也是依靠强激光激发原子的原理。铯是第一个展示这种方法的元素。

印度地球物理研究所的科学家研究了喜马拉雅山脉 60 多处温泉，得出结论：高铯含量可能是火山活动的征兆。人们在西伯利亚通古斯爆炸地带的树木里发现了高浓度的铯 -137 同位素。有趣的是，在 1908年发生通古斯大爆炸当年的树木年轮中也发现类似的化学现象。

还有一种有趣的现象和铯有关。 1967 年国际计量大会上，人们规定“ 一秒钟就是铯 -133 原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波周期的 9,192,631,770 倍 的时间 ”。对，就是这么简单。你要等一秒钟，你就等待铯的电子从一个轨道跃迁到另一个轨道一定次数，就可以了。如果人们发现很难做到，那么原子钟设备完全可以按这个时间运行，而且效率惊人。其准确性更是非常高，3000 年才错1 秒，这都是因为铯极其稳定。

篇幅原因，我们不能尽数铯的特性了，比如它在电子管中制造真空的特性、它的催化特性、它的同位素的医疗特效、检验误差和测量应用的特性、它在生产单晶闪烁体中的作用，这种单晶会在任何辐射作用下发出蓝色或绿色的冷光。铯的应用领域广泛，应用前景无限。

著：［苏联］S. 维涅茨基

译：  邹悦

审校：吴尔平 范胜男

主编：赵致真