铯：离子火箭发动机的理想“燃料”
来源： 科学网 发布时间：2022-06-23
□ 宋 丹
铯，元素周期表第55号元素。
高中学习碱金属时，同族的其他元素都是银白色，只有铯与众不同略带金色光泽。1860年，化学家本生和基尔霍夫在德国海德堡用他们新发明的分光镜分析矿泉水样品时，发现了一道明亮的蓝色光谱，从而找到了第55号元素。
铯在碱金属中最活泼，能与氧气发生剧烈反应，生成多种铯的氧化物，也能在潮湿空气中氧化、熔化并燃烧，遇水马上会爆炸，甚至与温度低到-116℃的冰也能发生猛烈反应生成碱性非常强的氢氧化铯并放出氢气。所以自然界里根本没有金属铯，只有铯的化合物，如果不是本生和基尔霍夫的分光镜，人们很难发现如此活泼的铯。直到有了电解法，波恩大学的考尔·希欧多尔·赛特伯格教授才从熔融的氰化铯中，第一次电解出了金属铯。
铯有40多种同位素，只有铯-133是稳定的，最常见的是铀和钚的裂变产物铯-137，能发出高能γ射线。铯对人和动物都没有毒性，生物行为与钾类似，进入人体比钾吸收得慢，但如果是带有放射性的铯-137，则会因放射性污染使人生病或死亡。
在工业上，人们利用铯的强辐射来制作地质测井仪和水准仪；医疗上，将铯用来治疗癌症。
为了探索宇宙，人们需要一种崭新的、飞行速度极快的飞行器，只有每小时飞行十几万公里的“离子火箭”才能满足要求，于是想到了铯。铯最外层的电子非常不稳定，特别容易被激发出来，能形成带正电的铯离子，如果将这些铯离子放在磁场作用下进行加速，能得到每秒150公里的高速离子。这些高速离子从喷射管喷射出去，就能获得飞行器高速行进的动力了。可想而知，铯将成为宇宙航行最理想的离子火箭发动机的“燃料”。
氢、铝、铷和铯都能用于制作原子钟，是一种高精度计时装置，其原理是利用原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动，其稳定程度非常高。1967年，人们依据铯原子的振动对秒进行了重新定义，其误差为10万年内不大于1秒。基于铯原子钟的高精确度，它已经是gps定位系统中不可或缺的计时系统。2017年，成都天奥电子股份有限公司赵杏文团队历时8年，成功研制出能精确报出北京时间的新型激光抽运铯原子钟，让时间实现了自主掌控。
（作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员）
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