长“眼睛”的金属铯

# 铯的发现史 #

任何在高中上过化学实验课的人都应该熟悉“本生灯”。事实上，本生最具里程碑意义的贡献是与基尔霍夫一起发明了光谱仪，使每种元素的独特谱线成为一张“ID卡”。

1860年，德国化学家本生和物理学家基尔霍夫用分光镜进行光谱分析时发现了铯元素。他们发现在分离了迪尔凯姆矿泉水中的钙、锶、镁和钾后，取出一滴溶液并蒸发便可以观察到两条明显的蓝线彼此靠近。于是两位科学家察觉这可能是一种新元素，并将这一重大发现报告给了柏林科学院。由于光谱线的颜色为天蓝色，所以他们建议根据按拉丁文caesius（天蓝色）为铯命。他们的这一发现导致了新一轮的元素大发现和星际化学的诞生[1]。

图1. 德国化学家罗伯特·威廉·本生和物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（图源自于网络）

# 铯的性质 #

铯是55号元素，元素符号为Cs，原子量为132.90543。铯的外观呈金黄色，质地柔软，铯的熔点是所有已知金属中最低的，在28.4°C时就能熔化。目前已知铯同位素有40种，原子量从112到151不等，其中133Cs是唯一的稳定元素，在放射性同位素中半衰期最长的是135Cs，约2.3ｘ106年，排在第二位的是137Cs，半衰期为30.2年，134Cs的半衰期仅为2.1年。其他放射性铯同位素的半衰期均低于2周，而绝大部分在１小时以下。铯化学性质非常活泼，与氧气接触1分钟左右，就会出现深紫红色的火焰，主要产物是超氧化铯。被投入水，会与水剧烈反应，放出氢气且爆炸。这种金属没有放射性，但属于危险化学品。一克高纯度可以卖到1000元以上。1小试管的铯就可以价值连城。为了保存它，人们只能将其储存在煤油或硼酸硅制成的安瓿中，并用氩气、氦气和其他稀有气体作为保护气体。

图2. 金属铯（左）保存在煤油中的铯（中）在氧气中燃烧的铯（右）（图源自于哔哩哔哩）

# 铯的重要用途 #

星空浩瀚，大地章动，四季更迭，植被凋零繁茂。自从人类意识觉醒以来，“时间”随之而来。从公元前2世纪的日晷到原子钟，反映了人类在探索大自然奥秘的过程中所展现的超然智慧。铯原子钟利用铯原子吸收或释放能量时发出的电磁波。由于辐射电磁波的周期非常稳定，并且使用了一系列精密仪器对其进行控制，因此原子钟的计时非常精确。运行370万年的走时误差不超过1秒，用它可以测量几十亿分之一秒的时间，其在交通运输，航空航天等领域发挥着不可替代的作用，我国北斗卫星导航系统的研发就用到了此项技术[2-3]。

图3. 日晷、铯原子钟（图源自于网络）

铯有16种核素，其中铯137（137Cs）是铯核素中放射性最高的核素。它是铀235的裂变产物，可辐射β射线和αX射线，广泛应用于工业、军事和医学科研领域。但是137Cs对机体有破坏作用，它进入人体后，主要停留于骨骼和肌肉组织中，会导致软组织肿瘤或癌症，如甲状腺癌、乳腺癌、卵巢癌、胆管癌等[4-5]。所以我们要尽量远离辐射源，防止放射性核素进入体内，对人体造成伤害。

但是近年来研究者们发现，铯化合物可以用于治疗休克和白喉。铯可以在液体中分离DNA(脱氧核糖核酸)。铯盐还可用做治疗癫痫的催眠剂和镇静剂[7]。氯化铯对于治疗食道癌、直肠癌等疾病有显著的效果[6]。

以杂多酸铯盐为代表的催化剂在化工领域的作用也不言而喻。铯盐作为一种优秀的催化剂，其性能优越，尤其是以杂多酸为代表的铯盐可视为绿色催化剂。在有机反应的气相转换中较多地使用到了杂多酸铯盐。在该种铯盐中，杂多酸中H+离子被Cs+替代，且杂多酸盐的结构并未发生变化，但性能发生了一定的改变，其热稳定性、耐水性均大幅提高[6]。

# 铯资源的分布于展望 #

从全球铯资源的分布来看，几十年来，目前发现的最大的铯榴石矿是加拿大的Bernic湖伟晶岩矿，拥有120000t铯榴石，Cs2O含量达23.3%。

在津巴布韦、澳大利亚、纳米比亚、巴西、印度、德国、瑞士、中国等国家也有一些丰富的铯矿藏，但主要来源仍不明。目前中国的铯矿资源分布主要集中于江西宜春、四川康定、西藏扎布耶茶卡、新疆阿尔泰可可托海和青海茶卡盐湖等地方，但品次较低。相对于发达国家，我国在开发利用程度和二次回收利用方面也较为落后，且主要应用于传统领域行业。而美国、日本和德国等发达国家，铯在高科技领域应用较多，70%的铯用于高新技术的发展。目前，美国已经形成了完整而完善的铯产业链[9]。因此，目前的当务之急是系统研究铯资源的路径，将铯列为最前沿的新材料，并促进我国高科技产业的发展。因为从长远来看，铯在通信、能源、化工、环保和深钻五大领域的需求还会不断增加。所以要加快完善铯产业链协调，依托企业和资源优势建设铯新材料产业基地。加强应用技术研发，提高铯资源应用开发的内部竞争力，建立国家铯产业技术创新中心。

图4. 美国和中国铯资源主要消费领域（图源自于中国知网[9]）