銫金屬的發(fā)現(xiàn)與用途
化學(xué)先生 / 2019-05-20
1860年，德國化學(xué)家本生和基爾霍夫在對(duì)礦泉水進(jìn)行研究時(shí)，先分出鈣、銀、鎂、鋰等元素后，將母液在火焰上，用分光鏡進(jìn)行光譜分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其焰光有兩條不知來源的藍(lán)線，他們證明是一種新元素。
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20年后1881年，同樣是德國化學(xué)家的塞特貝格首次用電解法分離出金屬銫。新元素被命名為 Caesium(絕)，源自拉丁語“天空的藍(lán)色”之意。如果有人問，自然界里最軟的金屬元素是什么?你可以這樣回答，就是最軟的金屬，它甚至比石蠟還軟。
銫具有活潑的個(gè)性，它本來披著一件漂亮的銀白色的“外衣”，可是一與空氣接觸，馬上就換成了灰藍(lán)色，甚至不到1分鐘就自動(dòng)地燃燒起來，發(fā)出攻瑰般的紫紅色藍(lán)色的光輝;把它投到水里，會(huì)立即發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，著火燃絕原子結(jié)構(gòu)圖燒，有時(shí)還會(huì)引起爆炸。即使把它放在冰上，也會(huì)燃燒起來。正因?yàn)樗@么地“不老實(shí)”，平時(shí)人們就把它“關(guān)”在煤油里，以免與空氣、水接觸。
最有意思的是，銫的熔點(diǎn)很低，很容易就能變成液體。一般的金屬只有在熊熊的爐火中才能熔化，可是銫卻十分特別，熔點(diǎn)只有28.5℃，除了水銀之外，它就是熔點(diǎn)最低的金屬了。大家都知道，我們?nèi)梭w的正常溫度是37℃，所以把絕放到手心里，它就會(huì)像冰塊掉進(jìn)熱鍋里那樣很快地化成液體，在手心里滾來滾去。
在自然界里，銫的分布相當(dāng)廣泛，巖石、土壤、海水以至某些植物機(jī)體到處都有它的“住地”?？墒墙^沒有形成單獨(dú)的礦場(chǎng)，在其他礦物中含量又少，所以生產(chǎn)起來很麻煩。一年下來，生產(chǎn)出的銫很少，“物以稀為貴”，現(xiàn)在銫比金子還貴。用銫可以做成最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)儀器一一原子鐘。一說到鐘，你們自然明白這是一種計(jì)量時(shí)間的工具。人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)離不開計(jì)時(shí)，想想看，如果有一天起床后，世界上所有的鐘表都不翼而飛了，世界會(huì)變成什么樣子呢?
過去，人們確定時(shí)間都拿地球的自轉(zhuǎn)作為基準(zhǔn)。地球是個(gè)天然的計(jì)時(shí)器，它每晝夜繞軸自轉(zhuǎn)一周，寒來暑往，年年如此。人們把地球自轉(zhuǎn)1周所需要的時(shí)間定為1天24小時(shí)，它的1/86400就是1秒，秒的時(shí)間單位就是這樣來的但是，后來人們發(fā)現(xiàn)，由于潮沙力等許多因素的影響，地球不是一個(gè)非常準(zhǔn)確的“時(shí)鐘”。它的自轉(zhuǎn)速度是不穩(wěn)定的，時(shí)快時(shí)慢。雖然這種快慢的差別極小，但累計(jì)起來，誤差就很大了。
有沒有一種更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)儀器呢?人們開始打破舊的傳統(tǒng)習(xí)慣大的一頭不行，往小的一頭探素。人們發(fā)現(xiàn):銫原子的第六層，即最外層的電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)的速度，總是極其精確地在幾十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)完一圈，穩(wěn)定性比絕原子鐘圖地球繞軸自轉(zhuǎn)高得多。利用銫原子的這個(gè)特點(diǎn)，人們制成了一種新型的鐘銫原子鐘，規(guī)定1秒就是銫原子“振動(dòng)”9192601770次(即相當(dāng)于銫原子的最外層電子旋轉(zhuǎn)這么多圈)所需要的時(shí)間。這就是“秒”的最新定義。
利用銫原子鐘，人們可以十分精確地測(cè)量出十億分之一秒的時(shí)間，300年來積累起來的時(shí)間總誤差不超過5秒，精確度和穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過世界上以前有過的任何一種表，也超過了許多年來一直以地球自轉(zhuǎn)作基準(zhǔn)的天文時(shí)間。
人類創(chuàng)造性的勞動(dòng)得到了收獲。大家知道，在我們?nèi)粘Ｉ罾铮灰滥?、月、日以至?xí)r、分、秒就可以了。但是現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)卻往往需要精確地計(jì)量更為短暫的時(shí)間，比如毫秒(1/1000秒)、微秒(1/10000秒)等。有了像銫原子鐘這樣一類的鐘表，人類就有可能從事更為精細(xì)的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，比如對(duì)原子彈和氫彈的爆炸、火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射以及字宙航行等，實(shí)行高度精確的控制，當(dāng)然也可以用于遠(yuǎn)程飛行和航海。為了征服宇宙，必須有一種耕新的、飛行速度極快的交通工具。一般的火術(shù)、飛船都達(dá)不到這樣的速度，最多只能神出地月系;只有每小時(shí)能飛行十幾萬千米的“離子火箭”才能滿足要求。
有的人可能會(huì)問:我們只知道原子、分子，怎么又出來一個(gè)離子?離子是什么呀?簡(jiǎn)單說吧，大家都知道正常的分子、原于等粒子是電中性的，表現(xiàn)不出帶有什么電荷;而離子卻是帶電(正電或負(fù)電)的粒子，分子、原子等帶一電荷就成了離子(正離子或負(fù)離子)。前面我們已經(jīng)說過，銫原子的最外層電子極不穩(wěn)定，很容易被激發(fā)放射出來，變成為離子火箭帶正電的絕離子，所以是宇宙航行離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)理想的“燃料”。絕離子火箭的工作原理是這樣的:發(fā)動(dòng)機(jī)開動(dòng)后，產(chǎn)生大量的絕蒸氣絕蒸氣經(jīng)過離化器的“加工”，變成了帶正電的銫離子，接著在磁場(chǎng)的作用下加速到150千米/秒，從噴管噴射出去，同時(shí)銫離子火箭以強(qiáng)大的推動(dòng)力，把火簡(jiǎn)高速推向前進(jìn)。
計(jì)算表明，用這種銫離子作宇宙火箭的推進(jìn)劑，單位重量產(chǎn)生的推力要比現(xiàn)在使用的液體或固體燃料高出上百倍。這種絕離子火箭可以在字宙太空游一兩年甚至更久!
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