Большинство металлов внешне походят друг на друга из-за характерного серебристо-серого блеска. Но только не медь, золото и цезий: первая отливает красным, два других имеют желтоватый оттенок. При этом теоретически жёлтые металлы достаточно легко различить: температура плавления цезия составляет всего 28,4 °С, а значит, его можно расплавить даже в ладони. Однако для этого цезий необходимо запаять в стекло или прозрачный полимер. Иначе неизбежна интенсивная реакция щелочного металла с влагой на кожном покрове. Да и с воздухом цезий будет реагировать бурно.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(37). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Цезий чрезвычайно активен и агрессивен по отношению к контейнерным материалам. Его хранят в сосудах из специального стекла в атмосфере аргона.

Улучшение методов исследования и изобретение новых лабораторных устройств раз за разом позволяло открывать новые закономерности в природных явлениях. Так, с помощью сосуда Дьюара, затрудняющего теплообмен с окружающей средой, были обнаружены инертные газы; благодаря атомным реакторам один за другим открывались трансурановые элементы. Ну а цезий, рубидий и большинство лантаноидов стали известны благодаря спектроскопу Бунзена и Кирхгофа.

Началось всё с того, что немецкий химик Роберт Бунзен хотел разработать источник тепла мощнее спиртовки, но более управляемый по сравнению с угольной жаровней. Вместе со своим ассистентом Петером Десага он придумал новый тип газовой горелки, оснащённый инжектором для подачи воздуха. Горелка Бунзена — Десага быстро показала своё преимущество и получила широкое применение за пределами родной лаборатории. Эта модель сейчас больше известна как «горелка Бунзена».

Новый прибор оказался пригоден для идентификации неорганических веществ по окраске пламени их солями: регулируя расход горючего газа и воздуха, устройство можно было заставить гореть практически бесцветным пламенем. В 1859 году друг Бунзена, физик Густав Кирхгоф, посоветовал модифицировать новый способ призмой для разложения излучения в спектр.

Самородное золото в рудах встречается в виде кристаллов или чешуек

Бунзен и Кирхгоф первыми стали использовать спектральный анализ в химии и получили спектры всех известных на то время щелочных металлов; открыли с помощью спектроскопии два новых элемента: рубидий и цезий.

Упрощённо принцип спектроскопии можно объяснить так: когда вещество помещают в пламя, его атомы возбуждаются. Электроны временно переходят на более высокие энергетические уровни, а когда возвращаются на нижние, высвобождается электромагнитное излучение (свет). Спектрометр (ранее с помощью призм, сейчас — дифракционных решёток) расщепляет излучение на отдельные линии, из которых получается спектр — набор тонких цветных линий. Каждый элемент даёт свой уникальный набор, этакий своеобразный штрихкод.

Цезий стал первым химическим элементом, открытым с помощью спектроскопии. Бунзен и Кирхгоф анализировали воду из минерального источника в Бад-Дюркхайме и обнаружили «радужный штрихкод», который не соответствовал ни одному из известных элементов и отличался двумя интенсивными сине-голубыми линиями.

Они и дали название цезию (лат. caesius — небесно-голубой). В чистом виде его впервые получил шведский химик Карл Сеттерберг в 1882 году в результате электролиза расплава смеси бария и цианида цезия.

Как и все щелочные металлы, цезий легко окисляется — на внешнем электронном уровне его атома находится всего один электрон, который легко отрывается под действием любого окислителя: кислорода, кислоты или воды. Электрон удерживается у ядра за счёт электростатических взаимодействий (ядро атома заряжено положительно, электрон — отрицательно). Чем больше радиус атома, а следовательно, расстояние между ядром и электроном, тем легче электрон отрывается. У цезия он держится у ядра слабее всего, поэтому цезий является самым активным щелочным металлом.

Интересно, что у франция — щелочного металла с большим, чем у цезия, радиусом — расстояние между ядром и внешним электроном ещё больше, так что самым активным щелочным металлом должен быть он. Но пальма первенства принадлежит именно цезию. И дело не в радиоактивности франция, всё гораздо сложнее.

Чтобы понять этот феномен, нужно вспомнить Специальную теорию относительности Эйнштейна. Франций относится к элементам, на свойства которых большое влияние оказывают так называемые релятивистские эффекты, вытекающие из Специальной теории относительности. Обладающее бóльшим положительным зарядом ядро тяжёлых атомов разгоняет электроны до огромных скоростей — 1–5% скорости света. В результате релятивистская масса электронов увеличивается, и если моделировать параметры атома франция с учётом этих эффектов, получается, что атомный радиус франция меньше, чем у цезия, а значит, отобрать электрон у цезия проще. Расчёты были подтверждены экспериментально.

Цезий используется в атомных часах — наиболее точных устройствах для определения времени. C 1967 года секунда определяется как время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя энергетическими уровнями основного состояния атома цезия-133. Погрешность атомных цезиевых часов — одна секунда за 300 000 лет. Такие часы используются базовыми станциями мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов, службами точного времени, в системах спутниковой и наземной телекоммуникации.

Хлориды радиоизотопов цезия применяются в ядерной медицине для диа­гностики и радиотерапии некоторых форм злокачественных опухолей ( ¹³⁷CsCl), а также для диагностики инфаркта мио­карда (¹³¹CsCl). Чтобы получить нужное вещество, хлорид цезия обогащают радионуклидами 131Cs или 137Cs, которые извлекаются из отходов ядерной энергетики. Цезий — один из немногих радио­нуклидов, соединения которых хорошо растворяются в воде, что и делает этот металл почти идеальным для медицины. В объёмах, необходимых для медицинских процедур, он безопасен, однако попадание большого количества радиоактивного цезия в окружающую среду может здорово ей навредить.

Печально известен Гоянский инцидент 1987 года — радиоактивное загрязнение, произошедшее после кражи 93 грамм радиоактивного ¹³⁷CsCl из заброшенной больницы в Гоянии (Бразилия). Люди, в руках которых оказался цезий, обратили внимание жителей города на необычное голубое свечение радиоактивного порошка (хлорид цезия был смешан с люминофором), и пошло-поехало… Им натирали кожу, передавали другим в качестве подарка — в течение более чем двух недель с хлоридом цезия контактировали всё новые и новые люди. В результате радиа­ция унесла четыре жизни (в том числе шестилетней девочки), а ещё около двухсот человек получили поражения разной степени тяжести.

Соединения цезия часто используются как один из компонентов буровых жидкостей