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化学元素铍的发现与应用 [复制链接]

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1.铍的发现

印象中,十八世纪欧洲兴起了科学实验的热潮,出现了众多精英,为世界留下宝贵的财富。那种实验热潮,就好像《百年孤独》里被吉普赛人梅尔基亚德斯带坏的何塞·阿尔卡迪奥·布恩迪亚一样,做实验做到成疯成魔。

在这时期的早些时候,德国科学家MartinHeinrichKlaproth、瑞典科学家TorbernOlofBergman都在研究绿柱石(berylite)的过程中,错误地认为绿柱石只是硅酸铝,遗憾地错过了发现铍的机会。

MartinHeinrichKlaproth

(.12.01-.01.01)

TorbernOlofBergman

(.03.20~.07.08)

年,法国科学家VauqelinNicolasLouis在实验中,用过量的碱处理绿柱石,除去其中的氢氧化铝,剩下一种他认为是未知元素的“土”。这种未知元素形成的盐有甜味,他便用代表甜味的Glucine命名这种元素。后来Klaproth发现钇盐也有甜味,提议用绿柱石来命名这种元素为beryllium。

VauqelinNicolasLouis

(.05.16-.11.14)

年,德国科学家FriedrichWohler及法国科学家AntoineAlexandreBrutusBussy各自都用钾还原氯化铍制得了金属铍,Wohler将它命名为Beryllium,Bussy则将它称之为Glucinium。

从词源上讲,gluc这个词根的意思就是“甜的”,glucose,葡萄糖;相近的另一个词根glyc也是甜的意思,glycerine,丙三醇。

年,国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)做出了决定,将这种元素命名为Be。

FriedrichWohler

(.07.31-.09.23)

AntoineAlexandreBrutusBussy

(.05.29-.01.01)

2.铍与核能

第二次世界大战期间,由于战争的缘故,铍工业得到空前的发展。

铍对中子散射截面大,吸收截面小,适用于核反应堆和核武器的中子反射环节。年11月01日,美国在太平洋马绍尔群岛的埃尼威托克珊瑚岛上空试爆了世界上首颗氢弹迈克,当量万吨。迈克内部含有铍球壳,围绕着核反应物质,用来反射大量中子。

铍还可用于中子源,如聚变堆氚包层模块(tritiuimblanketmodule,TBM):

Be-9+n→2α+2n-16MeV

这是一个(n,2n)反应,即中子倍增反应。

铍对X射线的吸收率极低,能够保证X射线的穿透,同时也不会因为吸收过多X射线的能量发热烧坏。因此,铍是制造X射线窗口绝佳的材料(Li为什么不可以?)。核工业的真空室窗口、同步加速器射束管、X射线光谱仪的窗口和样品固定器都是铍制。

X射线工作原理

旋转阳极X射线管结构示意图

(W即铍窗口)

X射线管广告图

铍窗口实物

3.铍与航天

年以前,陀螺是用钢制的,也有用钛、镁及铝的。

年,CharlesStarkDraper用铍制造陀螺仪,几乎重整了陀螺仪行业,也为他自己赢得了惯性制导之父的美名。时至今日,仍没有材料能够替代铍在陀螺中的地位。

惯性制导铍陀螺是一门复杂的科学技术,涉及静电悬浮、材料加工、结构设计等若干方面。因为有着丰厚的积累,DraperLab在全球制导控制领域一直保持着学术和工程的领先地位,课题都是超大项目。不用说厚积薄发,他们就是厚积厚发,估计也没问题。

CharlesStarkDraper

(.10.02-.07.25)

民兵III制导系统

民兵III制导系统实物

From:NationalNavialAviationMuseum

美国民兵III铍陀螺

(连续可靠工作可达h)

铍球

From:SmithsoniaNationalAirandSpaceMuseum

高精度惯性制导要求陀螺转速高、尺寸稳定、质量轻、抗干扰能力强。

铍的各项理化指标都很出色:无磁性、热导率高(.3W/mK),力学强度好(杨氏模量GPa)、几何尺寸稳定性(0./K,20℃)。

这么优秀,只好当仁不让了。

陀螺仪里高速旋转(~RPM)的转子会产生热。良好的导热性能够使这些热量在陀螺上均匀分布以减小陀螺的内部应力。较低的热膨胀系数则可以保证陀螺的尺寸稳定。

铍的密度是每立方米kg(钢是每立方米kg,这样比较就很直观了),这意味着做同样大小的陀螺,用铍可以使陀螺质量更小。对于火箭,这可以省去很多负担和很多成本。

所有这些,都保证了铍制陀螺的高精度。否则就是,失之毫厘,谬以千里!

舍我其谁?!

除此之外,铍还用做太空望远镜的反射镜片,即便在太空严酷的低温环境中,也不会因为形变影响成像。

同样的优秀性能,给了人类更遥远的视界!

Hubble太空望远镜

From:NationalAeronauticsandSpaceAdministration

螺旋星系

(Hubble太空望远镜拍得)

From:NationalAeronauticsandSpaceAdministration

铍镜片低温测试

(Webb太空望远镜,.07.29)

From:NationalAeronauticsandSpaceAdministration

主镜全部展开的18块铍镜

(Webb太空望远镜,.04.25)

From:NationalAeronauticsandSpaceAdministration

Webb太空望远镜主镜由18块铍镜组成,NASA声称镜面的粗糙度不超过10nm,真的是极端精密了。另外,铍镜表面镀有纯金薄膜提高其反射红外光线的能力。

4.铍的毒性

铍是甜的,甜的要命。

铍及其化合物粉末、烟雾能引起人体很多器官发生急、慢性中毒。短时间接触或吸入大量毒物引起的急性中毒,症状包括接触性皮炎、咽炎、支气管炎、化学性肺炎、鼻炎、皮肤溃疡、眼结膜炎等。慢性中毒的发病时间可延迟长达十几二十年,主要症状是双肺的长期迁延性病变。

遗憾的是,直到年人们才逐渐认识到铍的危害。年美国颁布的安全健康标准:人员所处工作环境,每立方米空气铍浓度不得超过1g;工作时间内的任何一次检测,每立方米空气中铍浓度不得超过25μg;铍厂邻近地区,铍的月平均浓度每立方米空气中不得超过0.01μg。

美国科学事务委员会,拒绝铍合金假牙上市!难怪美国牙医收入一直高,原来加工假牙的材料里含毒性的铍,可以算是危险职业了。

因为领先,世界各国都参照美国防范标准制订了各自的标准与条件,有的为了省事甚至直接照搬美国标准。

尽管如此,操作接触铍的人们,为了自己的健康,真的还是应该特别特别特别小心防护。

5.铍与宝石

绿柱石是以矿物绿柱石为原料的一类宝石的总称,化学成分为铍铝硅酸盐。由于形成条件不同,其中所含不同致色离子而呈现不同的颜色。一般为六方柱形晶体。

绿柱石

绿柱石有几个颜色的变种:含铯时,呈粉红色,称为玫瑰绿宝石;含铬时,呈鲜艳的翠绿色,称为祖母绿;含二价铁时,呈淡蓝色,称为海蓝宝石;含三价铁时,呈黄色,称为黄绿宝石。

绿柱石中祖母绿(Emerald)最珍贵,其次是海蓝宝石(Aquamarine)。

祖母绿宝石中一般都有裂缝及内含物,内含物太多自然会影响宝石的价值。但对于宝石研究者来说,祖母绿的内含物是不可多得的样本,其种类之多之复杂,简直就是一个花园。

祖母绿矿石

祖母绿裸石

(1.2ct,¥,.10.13)

海蓝宝石的颜色如同海水一样蔚蓝,被认为是来自海底,是海之精华。

海蓝宝石矿石

海蓝宝石

当然,在唯物者眼里,价钱和价值是有区别的。神马宝石,都不过是化学元素的组合排列罢了。

有一个好处,那就是在买宝石的时候,不会被人用海蓝宝石冒充蓝宝石(Sapphire)忽悠了。

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