铯

化学元素

铯，元素符号Cs，原子序数为55，位于第六周期，IA族，其单质是一种淡金黄色的活泼金属，熔点低，在空气中极易被氧化，能与水剧烈反应生成氢气且爆炸。铯在自然界没有单质形态，仅以盐的形式极少地分布于陆地和海洋中。铯是制造真空件器、光电管等的重要材料。铯的天然核素是稳定的Cs-133，放射性核素Cs-137是日本福岛第一核电站泄漏出的放射性污染中的一种。

发现简史

铯最终被基尔霍夫教授和本生于1860年在德国的海德堡被发现。他们检测了来自Durkheim的矿物质水，并且在光谱中观察到了他们不能认出的线，这意味着一个新的元素的出现。他们从这个来源生产出了约7克氯化铯，但没能生产出这种新金属自身的样本。第一个成功制出金属铯的这个荣誉归属于波恩大学的考尔·希欧多尔·赛特伯格（Carl Theodor Setterberg）教授，他由电解熔融的氰化铯（CsCN）获取了它。

命名是由其发现者基尔霍夫教授和本生以拉丁文“caesius”（意为天蓝色）命名了铯。

理化性质

物理性质

同位素

铷和铯的放射性同位素是铀的裂变产物，如Cs-137就是较常见的。在放射性废物处理上铯是很麻烦的元素。因此铯的核性质也研究得比较广泛。

铯的唯一的天然核素是稳定的Cs-133。碱金属元素中以铯的核素为最多，已知的有31种，质量数从116到146、质量数低于133的核素倾向于β+辐射衰变，超过133的核素主要为β-辐射衰变。铯的热中子俘获截面是29b。

化学性质

铯的化学性质极为活泼，铯在空气中生成一层灰蓝色的氧化物，不到一分钟就可以自燃起来，发出深紫红色的火焰，生成很复杂的铯的氧化物。

铯在碱金属中是最活泼的，能和氧发生剧烈反应，生成多种铯氧化物。在潮湿空气中，氧化的热量足以使铯熔化并燃烧。铯不与氮反应，但在高温下能与氢化合，生成相当稳定的氢化物。铯能与水发生剧烈的反应，如果把铯放进盛有水的水槽中，马上就会发生爆炸。甚至和温度低到-116℃的冰均可发生猛烈反应产生氢气、氢氧化铯，生成的氢氧化铯是无放射性的氢氧化物中碱性最强的。与卤素也可生成稳定的卤化物，这是由于它的离子半径大所带来的特点。铯和有机物也会发生同其他碱金属相类似的反应，但它比较活泼。

铯盐跟钾盐、钠盐一样溶于所有盐溶液中。但是不溶于高氯酸盐。

碘化铯与三碘化铋反应能生成难溶的亮红色复盐，此反应用来定性和定量测定铯；铯的火焰呈比钾深的紫红色，可用来检验铯。

当碱金属单质同乙炔、三苯甲烷、环戊二烯等的酸性氢相接触时，碱金属将置换氢原子，铯则是反应活性最高的。通常用钠反应的体系需要加热，并且要用微细分散形式的钠，而铯同苯、甲苯、二甲苯及其它芳烃仅在适中的温度下即能开始反应，生成红棕色的有机铯化合物，如C6H5CH2Cs。

化合物

铯在空气中氧化不仅仅得到氧化铯、过氧化铯，还有超氧化铯、臭氧化铯等复杂的化合物产生。和铷一样，铯的一系列低氧化物的制备、结构和性质则已见报道，如Cs7O（组成为[Cs11O3]Cs10）、Cs11O3等。这些低氧化物如Cs7O，它的X射线衍射图不同于Cs2O或Cs，也可能是由金属铯和氧化铯组成的某种类型的固溶体。

铯盐通常是无色的，除非阴离子有颜色（如高锰酸铯是紫色的）。许多简单的盐具有潮解性，但比更轻的其他碱金属弱。铯的乙酸盐、碳酸盐、卤化物、氧化物、硝酸盐和硫酸盐可溶于水。复盐通常溶解度较小，硫酸铝铯溶解度较小的性质常用来从矿石中提纯铯。与锑（例如CsSbCl4）、铋、镉、铜、铁和铅形成的复盐通常溶解度很小。

氢氧化铯（CsOH）是一种具有强烈吸水性的强碱。它能迅速腐蚀半导体材料（例如硅）的表面。化学家曾认为CsOH是“最强的碱”，但是许多化合物的碱性（质子碱性）远比CsOH强，例如正丁基锂，氢化铯和氨基钠。

生物行为

铯的生物行为与钾相似，食用了含铯-137的生物可溶化合物24小时后，铯-137可被人体充分吸收并结合在细胞内，造成内照射。

铯-137可作为γ辐射源，用于辐射育种、辐照储存食品、医疗器械的杀菌、癌症的治疗以及工业设备的γ探伤等。由于铯源的半衰期较长及其易造成扩散的弱点，故铯-137源已渐被钴-60源所取代。

2011年3月29日，在安徽省、广东省、广西壮族自治区和宁夏回族自治区的监测点气溶胶取样中还检测到了极微量的人工放射性核素铯-137和铯-134，其浓度均在10-5贝克/立方米量级及以下。环境中铯-137进入人体后易被吸收，均匀分布于全身；由于铯-137能释放γ射线，很容易在体外测出。进入体内的放射性铯主要滞留在全身软组织中，尤其是肌肉中，在骨和脂肪中浓度较低；较大量放射性铯摄入体内后可引起急、慢性损伤。

制备方法

铯可以用电解法和热还原法制备。但是由于对电极有强腐蚀性，工业上一般不用电解法。所以工业上是由氯化铯高温用金属钙还原制取金属铯。

可以用真空蒸馏法提纯。首先用扩散泵把装置抽成真空，将整个装置从A至E加热至400～450℃，使其干燥数小时。然后把提纯的氩气充满整个装置，切开A处，将装有带挥发油的金属铯的容器送人管B中，待挥发油蒸发后，把管B再次封住，将装置抽成真空（≤10-6托），用电炉在E附近进行加热，使铯在管D蒸馏析出。靠装置旋转，使熔融的铯从管D流到安瓿中，冷却后，装置充满氩气，将安瓿熔融物切断，制得高纯铯。（装置省略）

应用领域

裂变产物

长寿命的铯-137是铀-235的裂变产物。半衰期30.17年，可辐射β射线和γ射线，用作β和γ辐射源，用于工农业和医疗。随着核燃料放射性废物储放的时间，其辐射的γ射线比例增加，是储存的主要对象。

离子火箭

为了探索宇宙，必须有一种崭新的、飞行速度极快的交通工具。一般的火箭、飞船都达不到这样的速度，最多只能冲出地月系；只有每小时能飞行十几万公里的“离子火箭”才能满足要求。

铯原子的最外层电子极不稳定，很容易被激发放射出来，变成为带正电的铯离子，所以是宇宙航行离子火箭发动机理想的“燃料”。铯离子火箭的工作原理：发动机开动后，产生大量的铯蒸气，铯蒸气经过离化器的“加工”，变成了带正电的铯离子，接着在磁场的作用下加速到每秒一百五十公里，从喷管喷射出去，同时给离子火箭以强大的推动力，把火箭高度推向前进。

计算表明，用这种铯离子作宇宙火箭的推进剂，单位重量产生的推力要比使用的液体或固体燃料高出上百倍。这种铯离子火箭可以在宇宙太空遨游一二年甚至更久。

原子钟

铯原子的最外层的电子绕着原子核旋转的速度，总是极其精确地在几十亿分之一秒的时间内转完一圈，稳定性比地球绕轴自转高得多。利用铯原子的这个特点，人们制成了一种新型的钟——铯原子钟，规定一秒就是铯原子“振动”9192631770次（即相当于铯原子的两个超精细电子迁跃9192631770次）所需要的时间。这就是“秒”的最新定义。

利用铯原子钟，人们可以十分精确地测量出十亿分之一秒的时间，精确度和稳定性远远地超过世界上以前有过的任何一种表，也超过了许多年来一直以地球自转作基准的天文时间。有了像铯原子钟这样一类的钟表，人类就有可能从事更为精细的科学研究和生产实践，比如对原子弹和氢弹的爆炸、火箭和导弹的发射以及宇宙航行等等，实行高度精确的控制，当然也可以用于远程飞行和航海。用铯作成的原子钟，可以精确的测出十亿分之一秒的一刹那，它连续走上三十万年，误差也不超过1s，精确度相当高。另外，铯在医学上、导弹上、宇宙飞船上及各种高科技行业中都有广泛应用。

新粒子

2023年2月，澳大利亚科学家在最新一期《物理评论快报》杂志上撰文称，他们借助由一个普通的铯原子和名为缪子的基本粒子组成的一种不寻常的原子，通过理论研究，提高了对铯原子核的磁性结构、在铯原子中的作用以及缪子效应的理解。最新方法有望提供一种不同于大型强子对撞机的方式发现新粒子，或有助揭示占据宇宙总质量95%的暗物质的秘密。

铯喷泉钟

铯喷泉钟，是世界上最精确的时钟之一。

矿藏分布

铯在地壳中含量为2×10-3%。铯榴石是含铯矿物，也是提取铯的主要原料。已发现34种铯的同位素，其中铯–133是唯一存在于自然界的稳定同位素，其余皆是铀裂变产生的放射性同位素。

Durkheim的矿物质水中含有丰富的铯化合物，所以可以从Durkheim的矿物质水提取金属铯。

铯元素一般分布在含矿物质较多的水中。

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