元素

37 铷 精确测量时间的元素

本文作者 漂泊

铷元素广泛应用于能源、电子、特种玻璃、医学等领域。利用铷原子制造的铷原子钟可以精确的测量时间。

铷的基本物理性质

分类 第IA族▪金属
原子序号原子量 37(85.4678)
电子配置 5s1
密度 1532kg / m 
熔点 38.89°C
升华点 688°C
形状 银白色蜡状金属
丰度 90ppm(地壳)
发现者 Robert Bunsen,Gustav Robert Kirchhopp
主要的同位素 85Rb,81Rb
用途例 铷原子钟,特种玻璃,磁流体发电
前后的元素 氪-铷-锶

铷的发现及其性质

1850年左右,德国化学家Robert Bunsen发明了一种燃烧煤气的灯,这种名叫本生灯的燃烧工具目前在我们的实验室中还随处可见。Bunsen试着把各种物质放到这种灯的高温火焰里,看看它们在火焰里究竟有什么变化。火焰本来几乎是无色的,可是当含钠的物质放进去时,火焰却变成了黄色;含钾的物质放进去时,火焰又变成了紫色……连续多次的实验使Bunsen相信,他已经找到了一种新的化学分析的方法。这种方法不需要复杂的试验设备,也不需要试管、量杯和试剂,而只要根据物质在高温无色火焰中发出的光线颜色,就能知道这种物质里所含的化学成分,这种方法被称为焰色反应。

但有些物质的火焰几乎亮着同样颜色的光辉,单凭肉眼根本没法把它们分辨清楚。同住在汉堡的德国物理学家Gustav Robert Kirchhopp帮了Bunsen的忙。他研制了一种仪器——分光镜,当各种物质放到火焰上时,物质会变成炽热的蒸气,由蒸气发出来的光,通过分光镜之后,会分解成为由一些分散的彩色线条组成的光谱——线光谱。通过这种方法,原本发出光线颜色相近的组分也能区分开来。蒸气成份中有什么元素,线光谱中就会出现这种元素所特有的谱线:钾蒸气的光谱里有两条红线,一条紫线;钠蒸气有两条挨得很近的黄线;锂的光谱则是由一条亮的红线和一条较暗的橙线组成的;而铜蒸气有好几条光谱线,其中最亮的是两条黄线和一条橙线……这就是著名的分析物质成份的光谱分析法。光谱分析法的灵敏度很高,能够“分辨”出几百万分之一克甚至几十亿分之一克的任一元素。

Bunsen通过焰色反应和光谱分析法研究过很多物质。1861年,他在一种矿泉水里和锂云母矿石中,发现了一种产生红色光谱线的未知元素。这个新发现的元素就用它的光谱线的颜色铷来命名(在拉丁语里,铷的含意是深红色)。

铷的发现,是用光谱分析法研究分析物质元素成分取得的第一个胜利。[1-2]


单质铷铷的焰色反应

罗伯特·本生

罗伯特·本生是德国化学家、海德堡大学的教授。他一生做的最重要的工作是进行无机化学分析,他曾分析和鉴定过上千种无机物质,发展了无机分析和测量技术。本生利用光谱分析法发现了铷和铯。此外,他还发明了大量的实验仪器:他研制的实验煤气灯,后来被称为本生灯,一直使用到现在。此外,他还制成了本生电池、水量热计、蒸气量热计、滤泵和热电堆等实验仪器。

本生系统地研究了砷酸盐和亚砷酸盐,以及一系列的氰化物,指出亚铁氰化铵、亚铁氰化钾是相同晶型的,还发现了亚铁氰化铵和氯化铵的复盐。他还从熔融的氯化物中制出了金属钠和铝,用电解法制出了锂、钡、钙。他甚至提炼出铈、镧等稀土元素,并精确地用自制仪器测定了这些金属的比热。

本生还与罗斯合作研究了光化学。他采用等体积的氢和氯在光炽下进行反应。经研究发现,光照射化学物质使之产生反应的情况,与光的波长有关。如单独照射预先放人反应器中的氯气。不会改变其反应的诱导期,当温度在18℃一26℃时,反应只有极小的进展,但如果有氧存在。则氧显示出明显的催化作用。本生和罗斯通过研究,还估计出太阳的辐射能、指出太阳在一分钟内辐射出的光能,等于25×1021立方米的氢气和氯气混和转化为氯化氢所需要的能量。

本生是在化学史上具有划时代意义的少数化学家之一,他和基尔霍夫发明的光谱分析法,被称为“化学家的神奇眼睛”。[3]

Robert Wilhelm Bunsen

铷原子钟

原子钟是一种高精度的计时装置。人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波的频率来计时的。由于这种电磁波频率一定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、(Cesium)、(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

根据物理学的基本原理,原子核外不同能层的电子是具有一定的能量差的,电子在不同能层之间跃迁会吸收或释放能量,这种能量是通过电磁波的形式表现出来,但这种能量是不连续的。当原子从一个高能态跃迁至低能态时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,或者说是量子化的。对于特定的原子,通常发出电磁波的主要频率是固定的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的:例如铷的共振频率为6834.682614MHz。这意味着有了一个固定极短的周期,因此铷原子能发挥类似于节拍器的作用来测量高度精确的时间。

铷原子钟具有短期稳定性高,体积小巧,便于携带,价格合适的特点,非常适合于在科研测量、生产制造等领域使用,但由于铷原子的原子特性的原因,铷原子钟并不具有铯原子钟氢原子钟那样优秀的长期稳定度,因而需要校准。为了提高铷原子钟的长期稳定度,可以通过使用GPS系统来对铷原子钟进行控制和校准。[4]

铷原子钟

磁流体发电与热离子发电

由于铷原子失去价电子非常容易,可见光的能量就足以使原子电离,受光电磁辐射作用下表面释放自由电子,显示出优良的光电特性、导电性、导热性及强烈的化学活性。这使它们在众多技术领域中有着非常独特的用途。利用铷易于离子化的特点,它被用于磁流体发电、热离子转换发电等新型发电模式上。

磁流体发电是把热能直接转换成电能的一种新型发电方式。磁流体发电是利用流动的导电流体与磁场相互作用而产生电能。燃料被直接加热成易于电离的气体,使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动时,切割磁力线,产生感应电动势,即由热能直接转换成电流,无需经过机械转换环节,其燃料利用率得到显著提高。为了使高温气体有足够的电导率,通常需要加入一些易电离物质如铷及其化合物来提高电离度以获得较高热效率。如一般核电站的总热效率为29%~32%,而结合磁流体发电可使核电站总热效率提高到55%~66%

热离子发电是利用二极真空管的原理,把热能直接变为电能。由于正离子如铷离子能中和电极之间的空间电荷,因此,实际上提高了发射极的电子发射速度,减少了集电极的能量损失等,即增加了换流器的能量输出。如用铷和铯制作(含铷涂层电极) 的热电换能器,与原子反应堆联用时,可在原子反应堆的内部实现热离子热核发电。[5]

磁流体发电

铷的其他用途

铷具有很多工业用途。含铷特种玻璃是当前铷应用的主要市场之一。碳酸铷常用作生产这些玻璃特种的添加剂,可降低玻璃导电率、增加玻璃稳定性和使用寿命等。含铷特种玻璃已广泛使用在光纤通讯和夜视装置等方面。[6]

铷及其与钾、钠、铯形成的合金可作为真空电子管中痕量气体的吸气剂和除去高真空系统中残余气体的除气剂。

铷化合物和合金是制造光电池、光电发射管、和光电倍增管的重要材料,也是红外技术的必需材料,如锑化铷、碲化铷、铷铯锑合金等。使用了铷碲表面的光电发射管常被安装在不同电子探测和激活装置内,在宽辐射光谱范围内仍具有高灵敏度 。铷铯锑涂层常用在光电倍增管阴极上,用于辐射探测设备、医学影像设备和夜视设备等。利用这些光电管、光电池可以实现一系列自动控制。

碘化铷银是良好的电子导体,是已知离子型晶体中室温电导率最高的。在环境温度下,其电导率与稀硫酸相当,可用作固体电池的电解质,如薄膜电池。[7]

铷的化合物在医疗领域也有很多用途:氯化铷和其他几种铷盐则可用于DNA和RNA超速离心分离过程中的密度梯度介质。放射性的铷还可用于血流放射性示踪,另外一些铷盐可作为镇静剂、使用含砷药物后的抗休克制剂和癫痫病治疗等。[8]

铷特种玻璃                                                      光电倍增管                                            离心添加剂

 

参考文献

 

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Peng Li

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