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36 氪 照明的元素

本文投稿作者 漂泊

氪元素是一种稀有气体元素。氪可用于照明和摄影,由于氪发出的光有大量谱线,并大量以等离子体的形态释出,这使得氪成为制造高功率气体激光器的重要材料,另外也有特制的氟化氪激光器。氪在照明和激光领域有着重要的作用。

氪的基本物理性质

分类 非金属、稀有气体元素
原子序号原子量 36(83.8)
电子配置 4s24p6
密度 3.736kg / m 
熔点 -156.6°C
沸点 -152.3°C
形状 无色无味气体
丰度 0.00001ppm(地壳),1ppm(大气)
发现者 拉姆赛
主要的同位素 78Kr, 80Kr, 82Kr, 83Kr, 84Kr,85Kr,86Kr
用途例 气体激光器、原子灯、气泡室
前后的元素 溴-氪-铷

氪的发现及其性质

1898年,英国的拉姆赛和特拉威斯用光谱分析液态空气蒸发氧气氮气后所剩下的残余气体时,发现了氪。1898年5月24日拉姆赛获得汉普逊送来的少量液态空气。拉姆赛和特拉弗斯让液态空气蒸发,易挥发的也就是沸点较低的组分从液态中先走出来,留下不易挥发的,也就是沸点较高的组分。他们又用赤热的铜和镁将沸点较高的组分中残留的氧和氮除去,研究了这个剩余部分蒸气的光谱,发现除氩线外,还有两条明亮的谱线,一条黄的,一条绿的。黄色的线比氦线略带绿色。这是以前从来没有见到过的。这表明,在这个残留的气体中,除氩外,还有另一种新的气体。拉姆赛决定把它叫做氪krypton(Kr),来自希腊文krptos。根据实验记录,这个时间是1898年5月30日。他们测定了氪的密度约等于41,原子量约等于82,应当把它放置在元素周期表金属的前面。  [1]

氪正如其他惰性气体一样,不易与其他物质产生化学作用。但1962年首次合成出的化合物后,二氟化氪(KrF₂)也在1963年成功合成。同年,格罗泽等人宣布合成出四氟化氪(KrF₄),但后来证实为鉴定错误。另外有未经证实的报告指出发现氪含氧酸的钡盐。已有研究发现多原子离子ArKr+和KrH+,也有KrXe或KrXe+存在的证据。 [2-3]

从氪的沸点看,它比氦、氖、氮、氩和氧的沸点都高,只是低于氙,因而被留在沸点较高的组分中被发现。

拉姆塞发现氪气

 

照明与激光

由于氪的多条谱线使得离子化的氪气放电管呈白色,因此氪气常用来被注入到电灯泡中充当很亮且透射率高的白色光源,也常用作摄影的闪光灯、矿灯和越野车照射灯。氪气与其他气体混合可用于发光告示牌,它能发出光亮的黄绿色光。氪的白光在有颜色的气体放电管中有很好的效果,这些放电管表面涂上涂料就可以得到颜色的效果。氪与氩混合物可注入省电的荧光灯,这可以减少能量的消耗,但同时也减少了光度,增加了成本。这是因为氪的含量稀少(氪在大气中的浓度为1ppm),而且只能从液态空气中分馏得到,所以氪比氩昂贵100倍,这导致了成本的增加。氪和氙也会注入白炽灯,以减少灯丝的蒸发,让灯丝可以在更高的运行温度中操作。

此外,氪在红色谱线区中的光能密度比要高的多,因此高功率激光秀使用的红色激光器多使用氪。如果使用一般的氦或氖,则很难达到所需的输出。稳定的86Kr发射出的光中有一橙红色谱线,由于该谱线极锐,1960~1983年曾用其波长作为长度米的国际标准(1米等于该谱线波长的1.650.763.73倍)。此外,氟化氪激光核聚变能源研究领域上也有重要用途,这种激光束均匀度高、波长短,可以通过改变光斑大小追踪内爆的靶丸。  [4-9]


发光 含氪灯管氪灯

 

矿灯

氪发出的红色激光

 

放射性的85Kr

天然氪是有6种稳定同位素的混合物,它们的体积占比为:氪-84(57%)、氪-86(17.3%)氪-82(11.6%)、氪-83(11.5%)、氪-80(2.25%)和氪-78(0.35%)。铀裂变和其他核反应会产生一些氪的放射性同位素,总共约有20种,其中85Kr的半衰期为10.73年。85Kr是非活性的、放射性的惰性气体,在回收核反应堆的燃料棒时都会释出。因为大多核反应堆都位于北半球,北极的85Kr浓度比南极的高约30%。放射性85Kr可用于探测密闭容器的裂缝,逸出的氪原子可利用它们的放射性进行检测。放射性氪可用于密闭容器的检漏和材料厚度的连续性测定,还可以制成不需电能的原子灯 [10]

核电站会释放放射性的氪

 

氪的其他用途

氪无毒,但有窒息性。氪的麻醉性比空气强7倍,吸入含有50%氪和50%空气的气体所引致的麻醉相当于在4倍大气压力之下吸入空气,也相当于在30米水深潜水。

在实验粒子物理学,液态氪可用作气泡室,显示粒子的轨迹,也可以用于制造电磁热量计。其中著名的例子为欧洲核子研究中心NA48实验中的热量计,当中使用了27吨的液态氪。这种用途比较罕见,因为使用液态的热量计比较便宜,也通常使用。相对于氩,氪的好处是莫里哀半径较短,只有4.7 cm,因此空间分辨率较好,重叠较少。83Kr在磁共振成像中有应用,特别可用于分辨憎水亲水的表面。在X射线计算机断层成像中,使用氪和氙的混合物比单独使用氙的效果好。 [11-12]

氪气泡室

 

参考文献

[1]https://encyclopedia.airliquide.com/krypton

[2]Bartlett, Neil. The Noble Gases. Chemical & Engineering News. 2003 [2006-07-02] [3]Periodic Table of the Elements . Los Alamos National Laboratory’s Chemistry Division: 100–101. .

[4]Gibbs, Philip. How is the speed of light measured?. Department of Mathematics, University of California. 1997 .

[5]Mercury in Lighting. Cape Cod Cooperative Extension..

[6]“Energy-saving” lamps. anaheim.net. 2002 .

[7]Properties, Applications and Uses of the “Rare Gases” Neon, Krypton and Xenon. Universal Industrial Gases, Inc.

[8]Laser Devices, Laser Shows and Effect.

[9]Sethian, J.; M. Friedman, M.Myers. Krypton Fluoride Laser Development for Inertial Fusion Energy (PDF). Plasma Physics Division, Naval Research Laboratory: 1–8.

[10] Resources on Isotopes. U.S. Geological Survey.

[11]Pavlovskaya, GE; Cleveland, ZI; Stupic, KF; Basaraba, RJ; Meersmann, T. Hyperpolarized krypton-83 as a contrast agent for magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 2005, 102 (51): 18275–9. PMC 1317982PMID 16344474doi:10.1073/pnas.0509419102

[12]Chon, D; Beck, KC; Simon, BA; Shikata, H; Saba, OI; Hoffman, EA. Effect of low-xenon and krypton supplementation on signal/noise of regional CT-based ventilation measurements. Journal of Applied Physiology. 2007, 102 (4): 1535–44. PMID 17122371doi:10.1152/japplphysiol.01235.2005

 

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