سزيوم

کليات
 

سزيوم عنصر 55 با نماد (CS) نخستين عنصري است که با تجزيه طيفي کشف شد. از گروه فلزات قليايي است که در گروه IA و در دوره ششم جدول تناوبي جاي دارد. داراي عدد اتمي 55 و جرم اتمي 9055و 132 و يک ظرفيتي است.

ويژگي ها
 

فلزي است با جلاي نقره اي که در کمي بالاتر از دماي اتاق مايع مي شود. در زير نقطه ذوب، جامد و نرم است، و به شدت فعال است. آب را تجزيه مي کند و هيدروژن آزاد مي کند که بلافاصله آتش مي گيرد. همچنين با اکسيژن، هالوژن ها، گوگرد و فسفر به شدت واکنش مي دهد که اين واکنش با احتراق خود به خود همراه است. جرم حجمي آن 1/90، نقطه ذوب 28، نقطه جوش 705 درجه سانتي گراد، سختي مو 0/2 است. سزيوم از لحاظ نيروي محرکه برقي در بالاترين وضع قرار دارد، همچنين پايين ترين نقطه ذوب را در ميان فلزهاي قليايي داراست. در اسيدها و الکل محلول است. ميزان سمي بودن آن کم و ضعيف است و به هنگام احتراق شعله بنفش رنگي دارد.

تاريخچه
 

سزيوم نخستين عنصري است که به شيوه طيف سنجي به دست آمده. در اين مقاله به تاريخچه پيدايش و روش طيف سنجي به طور خلاصه اشاره مي شود:
مشکل بتوان گفت که دهه اي در قرن نوزدهم بدون کشف عنصري جديد سپري شده باشد. حتي در بعضي دوره هاي 10 ساله آن قرن، تعداد زيادي عنصر کشف شده اند، فقط دهه ششم آن قرن استثنا است، چون در آن دهه عنصري کشف نشده است. اين موضوع عجيب به نظر مي رسد ولي علت اش آن است که شيمي تجزيه آنچه را که در توانايي اش داشته است به انجام رسانده بود. تا حدود نيمه قرن نوزدهم، شيمي تجزيه تمام امکانات اش را براي کشف عناصري که نياز به روش هاي دقيق تر نداشته اند به کار بسته بود و آنها را کشف کرده بود. عنصار کشف شده يا به حالت طبيعي فراوان بوده اند و يا شيميدانان اتفاقي به کاني هاي محتواي عناصر نادر برخورده بودند. تا نيمه قرن نودهم حدود 60 عنصر کشف شده بود. گسترش روشهاي طيف سنجي در فاصله 1859 تا 1860 توسط بونزن و کيرشهف دانشمندان آلماني به وقفه پيش آمده در اکتشافات عناصر پايان داد و ناگهان گزارشهايي در باره کشف عناصر جديد از روي خطوط مشخصه شان در دستگاه طيف سنج منتشر شد. چهار عنصر (سزيوم، روبيديم، تاليوم و آنديوم) با توسل به روش طيف سنجي شناخته شدند.
به حکم سرنوشت، سزيوم نخستين عنصر روي زمين است که توسط روش طيف سنجي شناخته شده است و اگر اين روش به وجود نيامده بود، بعيد نبود که عنصر مزبور سرنوشت ديگري مي داشت. در سال 1225/1846 برايتهائوپت که معدن شناس بود، در ضمن بررسي کانيها و سنگ هاي معدني جزيره آلبا به نمونه اي کوارتزيت رنگين برخورد کرد که آن را پولوکس يا پولي سيت ناميد. اين نمونه بعدها به دست پلاتنر- شيميداني از اهالي فرايبرگ آلمان که استاد متالوژيک در آکادمي معدن بود، افتاد. نمونه موجود در دسترس وي آنقدر اندک بود که فقط انجام يک آزمايش تجزيه با آن مقدور بود. وقتي اجزاي آن سنگ معدني را معلوم کرد، در آن چيز تازه اي نيافت. تنها نکته اي که توجه اش را جلب کرد اين بود که جمع کل اجزا 92/75 درصد خود نمونه بود. نظر به اينکه وي ديگر نمونه اي براي آزمايش نداشت، دليل اين کم شدن وزن را نتوانست پيدا کند. تنها نتيجه اي که او از تجربه اش گرفت اين بود که پولوکس تمام سيليکاتهاي شناخته شده، بيشترين مقدار مواد قليايي را دارا است. اکنون مي دانيم که سزيوم توسط سديم و پتاسيم که مقدارشان در نمونه خيلي زياد بود در استتار قرار گرفته بود و پلاتنز قادر به استخراج آن نبوده است. در سال 1239/1860 بونز و کيرشهف ترکيب شيميايي آب چشمه هاي معدني مختلف را به روش طيف سنجي مورد مطالعه قرار داد. پس از جداکردن کلسيم، استرونسوم، منيزيم و ليتيوم از نمونه از آب معدني دورکهايم قطره اي ازآن آب را تبخير کردند و مورد آزمايش طيف سنجي قرار دادن و به دو خط آبي پررنگ نزديک به هم برخوردند. آن دو دانشمند با توجه به اينکه عنصري داراي چنين خط طيفي تا آن زمان پيدا نشده بود، آن خطوط را متعلق به عنصر ناشناخته اي از خانواده فلزات قليايي دانستند. براي اين عنصر، نام سزيوم (با علامت شيميايي Cs) پيشنهاد کردند. توضيح اينکه در روزگاران کهن اين واژه براي معرفي رنگ ابي قسمت بالاي افلاک به کار مي رفته است.
بخار آب رنگ زيباي سزيوم، وجود مقدار اندک چند ميليونيم ميلي گرم از آن را به حالت مخلوط با سديم، ليتيوم و استرونسيوم به اثبات رساند. در 22 فروردين 1239/11 آوريل سال 1860 بونزن نامه اي درباره کشف فلز قليايي جديد به روسکو (همکارش در يکي از تجربه هاي فتو شيمي) نوشت. در 20 ارديبهشت - دهم مه همان سال، اين موضوع را به آکادمي علوم برلين گزارش کرد- تا شش ماه بعد بونزن توانست 50 گرم کلورپلاتينات سزيوم نسبتا خالص تهيه کند. براي بدست آوردن اين مقدار از آن ماده مي بايستي حدود 300 تن آب معدني مورد آزمايش قرار گرفته باشد. در اين تجزيه حدود يک کيلوگرم کلرور ليتيوم به عنوان محصول فرعي به دست آمده بود. ارقام مورد اشاره، براي آن آورده شده است که به مقدار اندک سزيوم موجود در آبهاي معدني پي ببريم. چهار سال بعد پيزاني- تجربه گر ايتاليايي، به تجزيه پولوکس که قبلا توسط پلاتنر انجام شده بود، همت گماشت، در اين کار وقت با وي ياري کرد و در آن کاني، سزيوم يافت و نشان داد که دانشمند آلماني سولفات سزيوم را به اشتباه مخلوطي از سولفاتيهاي سديم و پتاسيم تلقي کرده است. در هر حال سزيوم خاصل در سال 1261/1882 توسط ساتربرگ- شيميدان آلماني، از طريق الکتروليز مخلوط سيانور سزيوم و سيانور باريم به دست آمد. بکتوف در روسيه تقريبا در همان زمان به طور مستقل از ساتربرگ، سزيوم به دست آورد. روش وي مبتني بر کاهش يا احياي آمونياک سزيوم (CsAIO2) توسط منيزيوم در زير جريان هيدروژن بود.

احتياط
 

در هنگام کار با سزيوم لازم است بدانيم که اين عنصر به شدت آتشزا است و انفجار و آتش سوزي خطرناکي را سبب مي شود. در هواي مرطوب خود به خود آتش مي گيرد، و در تماس با گوگرد يا فسفر احتمال انفجار مي رود، با مواد اکسيد کننده به شدت واکنش مي دهد، در تماس با پوست سوختگي ايجاد مي کند.

هشدار
 

سزيوم به صورت راديواکتيو همچون ديگر عناصر راديواکتيو داراي خطرات زيادي است و آسيب هاي قطعي به سلامت انسان وارد مي آورد. در حادثه چرنوبيل بيشتر از 100 عنصر راديواکتيو بعد از انفجار وارد منطقه شدند. البته اکثر اين عناصر نيمه عمر کوتاهي داشتند و خيلي زود پرتوزايي خود را از دست دادند. يد، استرانسيوم و سزيوم خطرناک ترين عناصري بودند که آزاد شدند و به ترتيب نيمه عمري برابر با 8 روز، 29 سال و 30 سال داشتند.
به همين دليل ايزوتوپ هاي استرونتيوم-90 و سزيوم-137 هنوز در منطقه موجود هستند. همانطور که يد باعث سرطان تيروئيد مي شود، استرونسيوم هم لوسمي يا سرطان خون ايجاد مي کند. سزيوم هم عنصري بود که بيشتر از همه عناصر پراکنده شد و بيشتر از همه آنها هم در طبيعت باقي مي ماند. اين عنصر بقيه اعضاي بدن را تحت تاثير قرار مي دهد و کار کبد و طحال را مختل مي کند.

طرز تهيه
 

ترکيبهاي سزيوم در طبيعت به ندرت يافت مي شود. آن را از احياي ترموشيميايي کلريد سزيوم با کلسيم يا به کمک الکتروليز سيانيد سزيوم مذاب به دست مي آورند. کاني اصلي آن پولوسيت نام دارد.

کاربرد
 

در پيلهاي فتوالکتريک، در لوله هاي خلا به عنوان گاز ربايش، در ساعتهاي اتمي، واکنشهاي ترمو شيمي، سوخت موشکها، کاربرد دارد. در چشمه هاي الکتروني به عنوان يک ماده الکترون دهنده به کار مي رود. در شيمي صنعتي به عنوان کاتاليزور از آن بهره مي گيرند.

ساعت اتمي
 

در تعريف جهاني ثانيه آمده است: «به مدت زماني ثانيه مي گويند که يک اتم سزيم برانگيخته 9/192/631/770 بار نوسان کند.»
ساعت اتمي عبارت است از نمايشگري که فرکانس گذرهاي اتمي را شمارش مي کند و آن را به صورت زمان نشان مي دهد. مي دانيم که هر گاه الکترون از مدار بالا به مدار پايين سقوط مي کند، امواج الکترومغناطيسي تابش مي کند. فرکانس (انرژي) موج تابيده شده براي اتم هاي مختلف و ترازهاي مختلف متفاوت است. هرچند که فرکانس تابش را از روي زمان تعريف مي کنند، اما مي توان معيار سنجش زمان را نيز فرکانس تابش الکترومغناطيسي قرار داد. انديشه استفاده از اتم به عنوان ساعت، نخستين بار در سال 1879 توسط لرد کلوين مطرح شد، وي اظهار داشت براي اندازه گيري فاصله زماني، اتم از هر چيزي بهتر است. اما در زمان کلوين ساختار اتم و ترازهاي انرژي اتمي هنوز مورد توجه نبود. پس از پيشرفت مکانيک کوانتوم و پذيرش ترازهاي انرژي توسط فيزيکدانان، انديشه استفاده از ساعت اتمي دوباره زنده شد و نخستين ساعت اتمي توسط لوييس اسن، فيزيکدان انگليسي اختراع شد. (شکل 1)
روش کار به اين شکل است که منبع اتم سزيوم در يک حفره کوچک قرار دارد و آن را تا 90 درجه سيلسيوس گرم مي کنند. اتمهاي برانگيخته شده، تابش مي کنند و دوباره به ترازهاي قبلي برمي گردند. در اين تابش انواع فرکانسهاي مربوط به ترازهاي مختلف وجود دارد. بدليل درهم بودن فرکانسهاي مختلف، به عنوان ساعت قابل استفاده نيست. اما اگر بتوان تابش خاصي مثلاً سقوط الکترون از n=4 به =3 را جدا کرد، در اين صورت مي توان تعدادي از اين فرکانس را بعنوان واحد زمان انتخاب کرد. با استفاده از ساعت اتمي سزيوم 133 («Cs-133») واحد زمان و واحد طول به صورت کاملاً وابسته به عناصر و عوامل طبيعي، تعريف شد.
تعريف واحد زمان: يک ثانيه فاصله زماني است که تابش يکنوع ايزوتوپ اتم سزيوم 133 به تعداد زير ارتعاش کند.
9/192/631/770 Hertz
دستگاه اختراعي لويس آسن، دقيقاً همين کار را انجام مي دهد. (شکل 2)
دستاوردهاي داخلي در استفاده از سزيوم
پژوهشگران ايراني در سال هاي اخير با استفاده از خواص سزيم دستاوردهاي ارزنده اي داشته اند که در زير به دو مورد از آنها اشاره مي شود:
استفاده از سزيوم -137 براي بررسي ميزان فرسايش و رسوب در حوضه آبخيز گرکک استان چهارمحال و بختياري
با توجه به اينکه هر يک از روش هاي مورد استفاده در برآورد فرسايش و رسوب داراي محدوديت هايي است، استفاده از سزيوم-137 به عنوان عامل نشاندار کردن در اينگونه مطالعات امروزه در سطح وسيعي رايج شده است. حوضه آبخير گرکک، از زيرحوضه هاي کارون شمالي در استان چهار محال وبختياري، به علت کثرت فعاليت هاي انساني در معرض فرسايش خاک قرار گرفته است. در اين حوضه از سزيوم-137 براي تعيين ميزان فرسايش خاک در عارضه هاي سطحي مختلف يک زمين نما استفاده شد. نتايج حاصل نشان داد که بيشترين مقدار فرسايش در بالاي شيب، يعني عارضه سطحي شانه شيب صورت گرفته است. مقدار فرسايش ان حدود 200 تن در هکتار در سال برآورد گرديد. پس از آن در شيب مياني زمين نما، عارضه سطحي «پشت شيب» داراي مقدار فرسايش کمتري بوده است مقدار فرسايش در آن 24/8 تن در هکتار در سال محاسبه شد. عارضه سطحي پاي شيب هيچگونه فرسايشي حداقل در چهل سال گذشته نداشته است.
اندازه گيري سزيوم- 137 پايه در غرب ايران و رابطه آن با بارندگي سالانه
بعضي از مواد پرتوزا مانند سزيوم-137 در طبيعت وجود ندارند. اين مواد از طريق آزمايش هاي هسته اي دهه هاي 70-1960 ميلادي، پس از وارد شدن به جوفوقاني همراه با بارندگي ها به سطح زمين آن رسيده و جذب رسها و ذرات ريز خاک شده اند. مطالعات و تحقيقات گذشته نشان داده اند که اندازه اين مواد در خاک بستگي به ميزان بارندگي دارد. بيشتر جابه جايي آنها همراه با نقل و انتقال ذرات خاک تنها هنگام فرسايش صورت مي پذيرد. بنابراين، با سنجش اندازه اين مواد در خاک، امکان بررسي فرايند فرسايش و رسوبگذاري فراهم مي شود. از آنجا که دست يابي به نقاط شاهد براي تعيين سزيوم مرجع کاري دشوار و پرهزينه است، با بدست آوردن رابطه واسنجي سزيوم-137 در ايستگاه هاي هواشناسي نواحي غرب ايران شده است. نيمرخ خاک در مجاورت ايستگاه هاي هواشناسي مورد نظر حفر و نمونه هاي خاک لايه به لايه برداشت شدند. نمونه هاي خاک کوچک تر از 2 ميلي متر قطر جداسازي با دستگاه سنجشگر ژرمانيوم-137 آنها اندازه گيري شد. بيشترين اندازه سزيوم-137 مشاهده شده مرجع در ايستگاه هواشناسي مريوان به دست آمده است که 2895 بکرل بر مترمربع مي باشد. رابطه تغييرات اندازه بارش سالانه (P) بر حسب ميليمتر و موجودي سزيوم-137 (A) بر حسب بکرل بر متر مربع طبق معادله p=1/1976 A 888/0 به دست آمده است که با R2=0/88 در سطح 0/001 معني دار مي باشد.
منبع:نشريه اطلاعات علمي - شماره367