铯

'（或；舊譯鏭），是一種化學元素，其化學符號为'，原子序數为55，原子量為。铯是淡金色且質地極軟的碱金属，熔點低，28.44 ℃时即会熔化。它是在室温或者接近室温的条件下能呈現液態的五种金属元素之一。铯的物理性质和化学性质与同为碱金属的铷和钾相似。该金属极度活泼，是活性最大的金屬元素，常溫下在空氣中容易自燃，遇水會迅速發生爆炸性反應。它是具有稳定同位素的元素中电负性最低的。天然铯通常是从铯榴石中提取出来的，而其放射性同位素，尤其是铯-137，是更重元素的衰变产物，可从核反应堆产生的废料中提取。

1860年，两位德国化学家罗伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基尔霍夫通过刚刚研究出来的焰色反应发现铯，並以拉丁文「」（意為天藍色）作为新元素的名称。铯最早的小规模应用是作为真空管以及光电池的。1967年，国际单位制中的秒开始以铯-133的发射光谱中一个特殊的频率作为定义。自此之后，铯广泛地用于原子钟。二十世纪九十年代以来，铯元素的最大应用是用于钻井液的甲酸铯，它在化学工业以及电子工业等領域也有重要用途。其放射性同位素铯-137的半衰期大约为30年，可以用於医学、工业测量仪器以及水文学等。虽然铯仅有轻微的化學毒性，但銫金属的高活潑性使之被歸類為危險性物質，而其放射性同位素則會對人體健康和環境生態造成重大危害。

性质
物理性质
中的高纯度铯-133|alt= 玻璃安瓿中的看起来像是松树枝的Y形黄色晶体]]
铯是一种非常柔软、延展性很强的的黄白色金属，其莫氏硬度在所有的元素中最低，仅0.2。銫在存在痕量氧气的情况下就会变暗。铯的熔点为28.4℃，为少数几种在接近室温的条件下为液态的金属元素。汞是唯一的熔点低于铯的金属元素。此外，该金属具有较低的沸点，仅有641℃，为除了汞以外沸点最低的金属元素。铯的化合物燃烧时具有蓝色。

铯可以和其它碱金属以及金形成合金，并且与汞形成汞齐。在温度低于650℃的条件下，铯无法和钴、铁、钼、镍、铂、钽或者钨形成合金。铯可以和锑、镓、铟以及钍形成具有感光性的金属互化物。

已经研究过若干种汞齐：为黑色并具有紫色金属光泽，而CsHg具有金色，同样具有金属光泽。

化学性质
金属铯具有高度的活性，并且非常容易自燃。除了在空气中能够自发燃烧以外，铯在很低温度下就能够与水发生爆炸性地反应，比碱金属中的其他元素更剧烈。此外，苗茂生2013年的计算结果表明，在压强极大（超过20 GPa）的条件下，内部的5p电子可以形成化学键，这时铯能够表现出p区元素的性质。该发现表明在该条件下可能存在铯化合价为+2至+6的铯氟化物}}。由于铯具有较高的原子量，并且比其他非放射性碱金属电正性更强，有一些较小的区别。铯是电正性最强的稳定化学元素。铯离子也比较大，并且与其他更轻的碱金属相比较软。

化合物
铯化合物多数都含有离子，它能与很多种离子形成离子键。一个值得注意的例外是铯化物中含有。 其他例外还包括一些低氧化物（参见下面的氧化物章节）。

回到普通的铯化合物，Cs+的盐通常是无色的，除非阴离子有颜色。 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。 複鹽通常溶解度较小，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）、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。 过去化学家曾认为CsOH是“最强的碱”，因为大阳离子Cs+与OH-的相互作用很微弱。类似的铂化物，红色的铂化铯包含表现得像拟硫族的铂阴离子。

复合物
与所有的金属阳离子类似，Cs+与路易斯碱在溶液中形成复合物。由于该粒子较大，Cs+通常的配位数大于6，而较轻的碱金属阳离子的典型配位数为6。这个趋势在CsCl中很明显，其配位数为8。铯离子较高的配位数以及软度（形成共价键的趋势）是将其与其它阳离子分离的基础，在实践中用于对核废料的整治，也就是将137Cs+与大量的非放射性的K+分离。

卤化物
氟化铯（CsF）是一种易潮解的白色固体，经常用于有机氟化学中作为氟阴离子的来源。氟化铯具有石盐结构，也就是Cs+和F−以和氯化钠中的Na+和Cl−相同的方式堆积成立方紧密堆积阵列。

氧化物
表示铯，而八面体中央的小红球表示氧。]]

铯可以和氧形成比其它碱金属更多元的二元化合物。当铯在空气中燃烧时，主要产生超氧化铯（）。氧化铯（）為橙黄色的六方晶体，并且为仅有的反氯化镉结构氧化物。它在250℃时挥发，并且在温度超过400℃时分解为金属铯和过氧化铯（）。除了超氧化铯和臭氧化铯（），，銫還有一些具有明亮颜色的低氧化物，包括、、、（暗绿色）、CsO、 以及。后者可以通过在真空中加热以产生，也可以在超新星爆发的过程R-过程中合成。然而，铯仅有唯一的稳定同位素，也就是具有78个中子的铯-133（133Cs）。尽管其原子核自旋量子数较大（7/2+），可以在其共振频率11.7 MHz处对该同位素进行核磁共振的研究。
铯-137以94.6%的概率通过β衰变发射出512keV的电子衰变为钡-137m（I=11/2-，t=2.55分），随后以85.1%的概率通过662keV的伽玛衰变转变为钡-137。此外，铯-137可以以0.4%的概率通过beta衰变直接转变为钡-137。
放射性同位素135Cs具有非常长的半衰期，大约230万年，而137Cs 和134Cs的半衰期分别为30年和2年。137Cs通过β衰变转变为分解为寿命很短的137mBa，随后转变为非放射性的钡，而134Cs直接转变为134Ba。具有质量数为129、131、132以及136的同位素的半衰期在一天和两周之间，而大多数其它的同位素的半衰期仅数秒或者少于一秒。至少有21种亚稳核同质异能素，除了134mCs（半衰期少于3小时），都很不稳定，并且半衰期仅数分钟甚至更短。

同位素135Cs是铀的长寿命裂变产物之一，可以在核反应堆中产生。然而，其裂变产物产量在大多数反应堆中都会比较少，这是由于其前体，135Xe是极强的中子毒物，经常在衰变为135Cs之前嬗变为稳定的136Xe。

由于铯137能够β衰变为137mBa，它是一种很强的伽玛射线发射体。其半衰期使得它和90Sr一同成为中等寿命裂变产物。由于这两种同位素，乏核燃料在经过数年的冷却后仍在数百年内具有放射性。例如，137Cs和90Sr一起成为了切尔诺贝利核事故之后其周围区域内最大的放射源 。由于其较低的中子捕获率，无法通过中子捕获处理铯-137，所以必须让它进行衰变。

几乎所有的核裂变产生的铯都由开始富含中子的裂变产物的β衰变产生，例如各种碘的同位素以及氙的同位素 。由于碘和氙容易挥发，并且可以通过核燃料或者空气扩散，辐射性的铯经常在远离裂变地点的地方产生。自从1945年开始进行核试验，铯-137被释放入大气层并作为放射性尘埃落回地球表面。铯在所有元素中丰度排第45名，而在所有金属中丰度排第36名。尽管如此，铯的丰度要高于锑、镉、锡以及钨，并且比银和汞的丰度高了两个数量级，然而其丰度仅为铷的3.3%。在分级结晶的过程中，铯在液相中浓缩，并且最后结晶。因此，铯的大矿床为在富集过程中形成的伟晶岩。由于铯不像铷那样可以将钾置换出来，碱蒸发盐矿物天然氯化钾（KCl）和光卤石（）中仅含0.002%的铯。所以铯仅能在若干种矿物中找到。铯含量较丰富的矿物包括绿柱石（）和氟硼钾石（）。在密切相关的矿物銫柱石（Cs(Be2Li)Al2Si6O18）中的质量百分比可达15%，而在稀有矿物硼铯铝铍石（）中可达8.4%，在分布更广的硼锂铍矿中含量较少。

世界上最重要的也是储量最丰富的铯产地是位于加拿大马尼托巴的伯尼克湖的堂科矿。估计其矿床中有35万吨铯榴石矿石，占世界储量的2/3。商业用铯榴石包含19%的铯。津巴布韦的比基塔伟晶岩矿床生产透锂长石，但是也有大量的铯榴石。纳米比亚的卡里比布沙漠中也在开采大量的铯榴石。

在酸消解中，硅酸盐铯榴石的岩石溶解在诸如盐酸（HCl）、硫酸（）、氢溴酸（HBr）或者氢氟酸（HF）中。采用盐酸可以产生可溶解氯化物的混合物，而无法溶解的铯的氯化物复盐以氯化铯锑（）、氯碘化铯（）或者氯化铯铈（）的形式沉淀出来。分离之后，将提纯的沉淀复盐分解，在水分蒸发后得到纯的氯化铯。采用硫酸的消解的方法将得到无法溶解的复盐铯矾（）。铯矾与碳一起烘烤后将转化为不溶于水的氧化铝，得到的产物通过沥滤得到硫酸铯（）溶液。铯的主要小规模商用化合物为氯化铯以及硝酸铯：
: + 2 → 2 + 2 + 。

2009年纯度为99.8%的铯（金属含量）大约为每克10美元，但是其化合物便宜很多 。铯是第一种采用光谱学的方法发现的元素，与本生和基尔霍夫发明光谱仪相隔仅仅一年。

本生和基尔霍夫使用所获得的氯化铯估计这种新元素的原子量为123.35（目前接受的值为132.9）。使用水银电极电解氯化铯的水溶液可以得到铯汞齐，在有水的条件下可以分解。

历史上，铯的的最重要的用途是用于研究和开发，主要是用在化学和电子领域。20世纪20年代用于无线电真空管之前，铯几乎没有任何应用。铯在真空管中起两个作用，吸收制造完毕后剩余的氧气的吸气剂以及可以起到增加加热的阴极的导电性作用的涂层。一直到20世纪50年代，铯才开始被认为是高性能的工业金属。无放射性的铯开始被用于光电池、光电倍增管、红外光谱仪、多种有机反应的催化剂，闪烁计数器以及磁流体发电。

应用
石油探勘
目前非放射性铯的最大的用途是石油提取工业中使用的基于甲酸铯的钻井液，再加上大多数铯化合物所具有的相对良性的性质，减少了钻井液中有毒的高密度悬浮固体的需求。与其它许多高密度液体的成分不同，相对来说甲酸铯不会破坏环境。碱金属的甲酸盐可以安全的处理，而且不像他们所替代的高密度盐溶液（如溴化锌溶液）那样具有腐蚀性，因此不会对生产底层或者井下的金属造成损害。使用这些甲酸盐也减少了清洁和处理的费用。在过去的半个多世纪中，人们不停的改进铯原子钟，并且使用它作为标准时间和频率测量的基准。这些-{zh-hans:钟; zh-hant:鐘;}-测量频率的精度为2-3×10-14，相当于时间测量的精度为每天2纳秒，或者140万年1秒。目前最先进的铯原子钟的精度超过了10-15，这意味着从6600万年前恐龙灭绝的时代起其误差仅为2秒钟。

电力电子
铯蒸气热离子发电机是将热能转化为电能的低功率装置。在双电机真空管转换器中，铯将在阴极聚集的空间电荷清除，并通过这种方式增强电流。

铯也因其具有光电发射的性质而重要，它可以将光能转化为电流。由于诸如金属化合物等的铯基阴极发射电子的电压阈值较低，通常将铯用于光电池中。使用铯的光电发射装置包括光学字符识别装置、光电倍增管以及摄像管。尽管如此，锗、铷、硒、硅、碲以及其他几种元素可以替代铯作为光电发射材料。铯也在分光光度法中作为内部标准使用。和其它碱金属类似，铯和氧的联系紧密，因此在真空管中铯被用作吸气剂。铯还用于高能激光、蒸气辉光灯以及蒸气整流器中。该技术主要用于分离生物样本中的病毒颗粒、细胞器以及核酸。

化学与医学应用
铯在化学上的应用相对较少。铯的化合物通常用于增强若干化学品生产中的金属-离子催化剂的作用，这些化学品包括丙烯酸、环氧乙烷、蒽醌、甲醇、邻苯二甲酸酐、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯单体以及各种烯烃等等。铯化合物也用于在硫酸生产中将二氧化硫催化转化为三氧化硫的过程中。铯盐在合成环状化合物、酯以及聚合等有机合成中有时用来替代钾盐或者钠盐。

核应用与同位素应用
铯-137在工业应用中是一种非常常见的作为伽玛射线发射源的同位素。其优势在于它的半衰期大约30年，可以通过核燃料循环获得，并且其最终产物钡-137是一种稳定的同位素。其较高的水溶性是其缺点，使得它无法用在用于食品和医疗用品的大型池式辐射器中。铯-137已经被用在农业、癌症治疗、食品消毒、污水污泥处理以及外科手术设备中。。铯的放射性同位素可以用在放射线疗法中针对某些癌症治疗，然而由于目前已经有了更好的替代品，且放射源中易溶于水的氯化铯可能造成大范围污染，放疗中逐渐不再采用铯放射源。在许多工业测量计中都采用了铯-137，包括湿度计、密度计、水平仪以及厚度计。测井设备中也会使用铯-137来测量与岩层中的电子密度。

铯-137也用于水文学研究中。铯是核裂变反应的产物。自从大约1945年核试验开始，一直到20世纪80年代中期，铯137被释放进入大气层，然后立即被吸收入水溶液中。那个时期的年度变化与土壤和沉积层有相关性。铯-134以及含量更少的铯-135也用于水文学研究作为核电工业中产生的铯的度量。这两种同位素不像铯-133或者铯-137那样常见，而且仅能通过人为过程产生。

其它应用
在早期的为长距离星际航行的航天器推进器设计的离子推力器中使用铯和汞作为推进剂。在离子化方法中，需要通过与加载电压的钨电极接触剥去推进剂的外层电子。考虑到铯对飞船部件的腐蚀作用，对离子推进器的研发转向使用惰性气体推进剂，例如氙。在地面测试中处理惰性气体推进剂，并且其对飞船造成影响的可能性也更小。尽管如此，已经建造的场发射电子推进推力器仍然使用加速诸如铯等的金属离子的简单系统来形成推力。

在红外照明弹中使用硝酸铯作为氧化剂和烟火着色剂来燃烧硅，例如LUU-19照明弹。这是因为硝酸铯的大部分辐射光都位于近红外光谱中。铯也被用来减少SR-71黑鸟式侦察机的尾焰的雷达特征。铯也经常和铷一起以碳酸盐的形式加入玻璃以减少玻璃的导电性并且增加光纤与夜视设备的稳定性和持久性。氟化铯或者氟化铝铯也用在以含镁铝合金钎焊的焊剂配方中。在小鼠试验中，氯化铯的半致死量（LD50）为每千克体重2.3克，与氯化钾和氯化钠的半致死量相近。

金属铯是最活泼的元素之一，并且接触水后会发生爆炸。铯接触水后产生大量的热，加热了同时产生的氢气并将其点燃，引起猛烈地爆炸。其它的碱金属也能发生相似的情况，但是铯和水的反应最為剧烈，甚至和冷水也能發生爆炸性反应。

由于人类的活动，生物圈中存在少量铯的放射性同位素铯-134和铯-137，并且在不同地点放射强度也有所不同。
放射性的铯不会像许多其它裂变产物（例如放射性碘和放射性锶）那样在人体内聚集。大约10%的吸收进人体的放射性铯会迅速通过汗和尿排出体外，而剩余的90%其生物半衰期在50天至150天。放射性铯和钾类似，倾向于在植物的组织中聚集，如水果和蔬菜。亦曾记录放射性污染的森林中的蘑菇将铯聚集在其子实体中 。切尔诺贝利核事故之后，人们高度担心铯-137在湖水中聚集。使用狗进行的实验表明每千克体重3.8毫居里的剂量（4.1微克铯-137）会在三周内致死 较小剂量可能导致不育或者癌症。国际原子能机构以及其它机构警告诸如铯-137的放射性材料可以用于放射性散布装置（亦称脏弹）中。

注释
參考資料
外部連結