元素

55 铯 光电倍增管的元素

本文作者 漂泊

铯是一种非常活泼的碱金属,它具有类似黄金的金色光泽,它被用于制造最为精确的原子钟,同时在光电发射管、光电倍增管等光电器件领域也大显神通,是是一种用途非常广泛的金属元素。此外,钻井用到的钻井液当中也含有大量的甲酸铯。

 

铯的基本物理性质

分类 第ⅠA族▪金属
原子序号原子量 55(132.905)
电子配置 6s1
密度 1.8785g/cm 
熔点 28.4°C
沸点 678.4°C
形状 金黄色金属
丰度 10ppm(地壳)
发现者 Robert Bunsen,Gustav Robert Kirchhopp, Carl Theodor Setterberg
主要的同位素 133Cs, 137Cs
用途例 铯原子钟、光电倍增管、钻井液与完井液
前后的元素 氙-铯-钡

铯的发现

1860年,德国的本生和基尔霍夫创立了光谱分析法。光谱分析比化学分析灵敏度高,地壳中含量较少的铯、铷、铊、铟,在逃过了分析化学家们的手之后,都被光谱分析法“逮住了”。

本生和基尔霍夫在对来自Durkheim的矿泉进行检测分析时,在其浓缩液的光谱中观察到了之前没有被标记过的谱线,这意味着一个新的元素的出现,这种元素就是铯。他们在一篇报告中叙述着:“蒸发掉40吨矿泉水,把石灰、锶土和苦土沉淀后,用碳酸铵除去锂土,得到的滤液在分光镜中除显示出钠、钾和锂的谱线外,还有两条明亮的蓝线,在锶线附近。现在并无已知的简单物质能在光谱的这一部分显现出这两条蓝线。经过研究可以得出结论,必有一未知的简单物质存在,属于碱金属族。我们建议把这一物质叫做Cesium(铯),符号为Cs。命名来自拉丁文caesius,古代人们用它指晴朗天空的蓝色……”

其实早在1846年,德国弗赖贝格冶金学教授普拉特勒曾经在分析鳞云母(又称红云母)矿石时,就得到了硫酸铯,但是由于分析方法的原因,他误将硫酸铯当成了硫酸钠和硫酸钾的混合物了,非常遗憾错过了铯元素的发现。

本生和基尔霍夫从泉水样本中提取了7g CsCl,但是没能得到铯单质。他们根据氯化铯的分子量估计新元素的原子量为123.35(目前接受的值为132.9)。他们试图通过电解熔融的氯化铯来获取单质铯,但他们得到了是一种蓝色均匀状的物质,在肉眼下和显微镜下都观察不到金属的特征,因此他们认为这是Cs2Cl,但实际上该物质可能是金属铯和氯化铯的胶体混合物。

单质铯最终由德国化学家Carl Setterberg通过电解熔融的氰化铯(CsCN)获得。[1-5]


金属铯

 

 

铯原子钟

每一种原子都有自己特征的振动频率,这些振动是由于原子的超精细能级之间的跃迁所产生的辐射所导致的。处于某一特定超精细能级的一束原子穿过一个振动电磁场,场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近,原子从电磁场吸收的能量就会越多,并且因此经历从原先的超精细能级到另一能级的跃迁。反馈回路可调节振动电磁场的频率,直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动电磁场的频率作为节拍器来产生时间脉冲,从而记录稳定的时间间隔。秒的最新定义就是铯-133 原子基态的超精细能级之间的跃迀所对应的时间脉冲的9192631770个周期所持续的时间。铯原子钟是目前应用最为广泛的原子钟。

为了制造铯原子钟,铯会被加热至汽化,并通过一个真空管。在这一过程中,首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场,然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡,以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9192631770Hz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时,能量状态将会发生相应改变。在更远的真空管的尽头,另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出,并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正,并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9192631770除,得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

第一个精确的铯原子钟由路易斯埃森于1955年在英国国家物理实验室建造。铯原子钟在过去的半个世纪中得到了改善,被认为是“人类尚未实现的单位最准确的实现”。今天,名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的钟表,但它并不能直接显示钟点,它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所(NIST)物理实验室的时间和频率部内。在2000万年内,它既不会少1秒也不会多1秒,具有非常高的精度。[6]

 铯原子钟

 

电子工业中的铯

铯是一种非常活泼的碱金属,它非常容易失去电子,可见光的能量就足以使它电离,因此铯具备非常优良的光电特性,它能将光转化为电流,如用于光电池阴极的K2CsSb由于具有低阈值电压可以发射电子。此外,很多铯的化合物也广泛用于制作光电倍增管、电视摄像管、光电发射管等一系列光电子器件。如表面涂有碲化铯的光电发射管常用于不同的电子探测器件内,在很宽的光谱范围内都有很宽的灵敏度。铷铯碲涂层常用于光电倍增管阴极上可以用于探测设备、医疗成像设备、夜视设备当中。而碘化铯溴化物和氟化铯晶体则被用于应用于矿产勘探和粒子物理学当中用于检测伽马X射线辐射的闪烁计数器。铯在二次离子质谱(SIMS)中也被用作正离子源。

除此之外,由于铯和氧具有很大的亲和力,因此铯合金还可以用作真空管中的吸气剂。[7-10]

光电倍增管

 

 

甲酸铯钻井液

目前非放射性铯的最大用途是用于制造石油工业中所使用的甲酸铯钻井液、完井液。钻井液的功能是润滑钻头,并将岩屑切割到地面,并在钻井期间保持地层上的压力。而完井液有助于在钻井之后但在生产之前通过保持压力来安置控制硬件。甲酸铯(HCOOCs+)可以由氢氧化铯与甲酸反应制得,其溶液的密度高达2.3g/cm3。甲酸铯性质相对温和,且无毒,可以减少钻井液中有毒高密度悬浮物的含量,具有重要的技术,工程和环境优势。此外,甲酸铯也是一种可生物降解的并可循环利用的材料,这大大降低了它的使用成本。总之,它是一种对环境友好的材料。甲酸铯也可以与钾和钠的甲酸盐共混,从而实现溶液密度的均匀变化。[11]

钻井平台

 

参考文献

 

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