銣

銣，是一種化學元素，化學符號為，原子序數為37，原子量為。銣是種質軟、呈銀白色的金屬，屬於鹼金屬。單質銣的反應性極高，其性質與其他鹼金屬相似，例如會在空氣中快速氧化。自然出現的銣元素由兩種同位素組成：85Rb是唯一一種穩定同位素，佔72%；87Rb具微放射性，佔28%，其半衰期為490億年，超過宇宙年齡的三倍。德國化學家羅伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基爾霍夫於1861年利用當時的新技術火焰光譜法發現了銣元素。銣化合物有一些化學和電子上的應用。銣金屬能夠輕易氣化，而且它有特殊的吸收光譜範圍，所以常被用在原子的鐳射操控技術上。銣有已知的生物功用。但生物體對銣離子的處理機制和鉀離子相似，因此銣離子會被主動運輸到植物和動物細胞中。歷史.1861年，羅伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基爾霍夫在德國海德堡，利用光譜儀在鋰雲母中發現了銣元素。由於其發射光譜呈現出多條鮮明的紅線，所以他們選擇了拉丁文中意為「深紅色」的「rubidus」一詞為它命名。銣是鋰雲母中的一種次要成分。基爾霍夫和本生所處理的150公斤鋰雲母中，只含有0.24%的氧化銣可以經分級結晶的方法取得。用氫對六氯鉑酸銣進行還原後，基爾霍夫和本生獲得了0.51克的氯化銣。兩人之後對銣和銫進行的首次大型萃取工序用到了4萬4千升礦物水，並一共提取出7.3克氯化銫和9.2克氯化銣。基爾霍夫和本生在發明光譜儀僅僅一年後就發現了銣元素。銣因此成為繼銫以後第二個透過光譜學方法發現的元素。兩人用提取出的氯化銣來估計銣的原子量，得出的數值為85.36，不過它其實更可能是銣金屬和氯化銣的膠體狀混合物。之後，本生進行了第二次嘗試，對炭化了的酒石酸銣加熱，成功還原了銣金屬。儘管蒸餾出的銣會在空氣中自燃，但本生仍能夠測量出銣的密度和熔點。1860年代所取得的密度值，與今天認可的數值只相差0.1 g/cm3，熔點值的偏差也在1 °C以內。科學家在1908年發現了銣的微放射性，但同位素理論在1910年代才被建立起來，加上放射性銣的半衰期超過1010年，所以當時對這一現象的解釋尤為困難。有關銣的衰變方式的爭論一直持續到1940年代末。目前已證實，87Rb會經β衰變成為穩定的87Sr。1920年代以前，銣還沒有工業用途。此後，銣的最大應用在於化學和電子範疇的研究和開發。1995年，埃裡克·康奈爾、卡爾·埃德溫·威曼和沃爾夫岡·克特勒用銣-87實現了玻色–愛因斯坦凝聚，並因此獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。性質.銣是一種質軟、可塑性高的銀白色金屬。在所有非放射性鹼金屬元素中，銣的電正性排行第二。其熔點為39.3 °C。銣金屬會在水中劇烈反應，它會和汞產生汞齊，並且會和金、鐵、銫、鈉和鉀形成合金。與反應性稍低的鉀和反應性稍高的銫一樣，銣和水所產生的劇烈反應通常足以燃起所釋放出來的氫氣。它也可以在空氣中自燃。銣的電離能很低，只有406 kJ/mol。#重定向化合物.氯化銣是所有已知離子晶體中，室溫電導率最高的。在製造薄膜電池時可以利用這一屬性。銣的氧化物有若干種，包括氧化銣。銣和鹵素形成鹽，例如氟化銣、氯化銣、溴化銣及碘化銣等。同位素.雖然銣是一種單一同位素元素。因此自然界中的銣具有放射性，比活性約為670 Bq/g。這樣的輻射水平可以在110天內於照相底片上留下影像。除85Rb和87Rb之外，還有30種非自然生成的同位素。它們具有放射性，半衰期都在3個月以內。銣-87的半衰期為年，這是宇宙年齡年的三倍有餘。它是一種原生核素，在地球形成時便已存在。在礦物中，銣常會代替鉀元素的位置，所以其分佈廣泛。87Rb在釋放一個負β粒子之後，會衰變成穩定的87Sr，這可以用於測定岩石的年齡。在地球內部的分級結晶過程中，鍶會集中在斜長石中，留下處於液態的銣。因此，在殘餘巖漿中銣對鍶的比例會隨時間增加，經活成分異作用形成銣/鍶比例較高的岩石。偉晶巖中的銣/鍶比例最高。如果可以測得或推算出最初的鍶含量，那麼透過測量目前銣和鍶的含量以及87Sr/86Sr比例，就可以算出該岩石樣本的年齡。這一年齡只有在岩石不曾受變動的情況下才等於真實的年齡值。銣-82是其中一種人造同位素，可經鍶-82的電子捕獲衰變過程產生，反應的半衰期為25.36天。銣-82會再經正電子發射衰變為穩定的氪-82，半衰期為76秒。存量.銣在地球地殼中的豐度在所有元素中排第23位，與鋅相近，比銅更常見。它自然出現在白榴石、銫榴石、光鹵石和鐵鋰雲母等礦物之中，氧化銣大約佔這些礦物的1%。鋰雲母中的銣含量在0.3%和3.5%之間，是銣的主要商業某些含鉀礦物和氯化鉀都會含有不少的銣元素，有商業開採價值。銣在海水中的濃度平均為125 µg/L。相比之下，鉀的濃度則高得多。銣是海水中第18豐富的元素。由於離子半徑較大，所以銣屬於所謂的「不相容成分」。在熔岩結晶過程中，銣和更重的同族元素銫聚集在一起，處於液態，是最後一個結晶的成分。因此，含有銣和銫的最大礦藏，都是經由這種濃縮過程所形成的偉晶巖礦帶。由於銣會在結晶時代替鉀的位置，所以其濃縮的程度遠低於銫。從含有銫榴石的偉晶巖中可開採出銫，從鋰雲母中可開採出鋰，過程中也會產生銣作副產品。銣的主要礦藏包括：位於加拿大曼尼托巴省伯尼克湖的銫榴石礦藏，以及義大利厄爾巴島上的銣長石礦藏，其銣含量高達17.5%。#重定向生產.雖然銣在地殼中比銫更常見，但其應用不廣，加上缺乏一種富含銣的礦物，所以各種銣化合物的年產量只有2至4噸。分離鉀、銣和銫的方法有若干種。對銣礬和銫礬重複進行分級結晶，30次以後便可獲得純銣礬。另外兩種方法分別利用氯錫酸鹽和亞鐵氫化物。1950至1960年代，鉀生產過程中一種稱為「Alkarb」的副產品曾經是銣元素的主要Alkarb含21%的銣，其餘大部份是鉀，另有少量銫。如今，銣是銫開採過程中的一種副產品，加拿大曼尼托巴省的銫榴石礦就是其中一例。應用.銣化合物有時會被新增在煙花當中，使它發出紫光。銣可以用在磁流體發動機和熱傳導發電機中：高溫下形成的銣離子經過磁場，作用就像發電機中的電樞，因而產生電流。用它製成的鐳射二極體價廉，且鐳射波長範圍適宜，維持高蒸氣壓所需的溫度也在中等範圍內，所以銣是鐳射冷卻和玻色–愛因斯坦凝聚應用上最常用的一種原子。科學家曾用銣對3He進行極化，這樣產生的3He氣體擁有單一方向，而不是隨機方向的核自旋。鐳射對銣氣體進行光抽運，極化了的銣就會透過超精細互動作用使3He極化。這樣自旋極化了的3He氣體可以用在中子極化測量中，或用於製造極化中子作其他用途。原子鐘的共振元件可以利用銣的能級的超精細結構，因此銣已被應用在高精度計時上。全球定位系統常利用銣頻率標準來生成一個比銫頻率標準更精準、成本更低的「主頻率標準」。這種銣頻率標準在電信工業中有大規模的生產。銣的其他潛在應用包括：蒸汽渦輪中的工作流體、真空管中的吸氣劑以及光度感應器元件等。銣是一些特殊玻璃的成分，也可用於製造超氧化物。它能夠在細胞中代替鉀的位置，所以能被用來研究離子通道。銣氣體還被用於原子磁強計中。科學家正在用87Rb，連同其他鹼金屬，來開發無自旋交換弛豫原子磁強計。銣-82可用於正電子發射電腦斷層掃描。銣和鉀相似，所以含有大量鉀的生物組織也會積聚具放射性的銣元素。這一原理主要應用在心肌灌注成像。銣-82的半衰期只有76秒，所以必須從靠近病人的鍶-82衰變而得。由於腦腫瘤的血腦屏障有所變異，所以腫瘤會比正常腦組織更容易積累銣。核醫學可以利用這一原理對腫瘤進行定位和照相。科學家曾做過實驗，以研究銣對患有躁鬱症和抑鬱症的病人有何影響。透析治療期間患上抑鬱症的病人體內缺少銣，所以補充銣元素可能可以舒緩抑鬱症。在某些試驗中，病人須連續60天攝入720 mg的氯化銣。安全.銣金屬會和水發生劇烈的反應，甚至會爆炸；即使放在煤油中，也會緩慢反應，並被溶解的少量氧給氧化。因此，銣一般儲存在真空安瓿或充有稀有氣體的安瓿中。只要接觸到少許的空氣，包括滲入油中的氧氣，銣就會變成過氧化銣。因此它的安全措施和鉀金屬相似。與鈉和鉀一樣，銣溶在水中的時候幾乎永遠呈+1氧化態，在所有生物體內的銣也一樣。Rb+離子在人的體內似乎和鉀離子無異，所以主要積聚在細胞內液中。銣離子並沒有明顯的毒性：一個70公斤重的人體內平均含有0.36克的銣，而在這一數值提升50甚至100倍之後，也沒有對試驗物件造成任何明顯的負面影響。銣在人體內的生物半衰期為31至46天。在老鼠身上進行的實驗指出，如果體內一小部份鉀替換成銣，身體是能夠承受的，但一旦肌肉組織內一半的鉀都換成銣，老鼠便會死亡。