87 Fr فرانسيوم 223*
فلز قلوي المستوى الفرعي s الدورة 7 المجموعة 1 مشعة

فرانسيوم

Fr · العنصر 87 · فلز قلوي

ثاني أندر عنصر طبيعي، وأكثرها كهروجابية، لكن لم يرَ أحد قط عينة مرئية منه.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 223 u
التوزيع الإلكتروني[Rn] 7s¹

البنية

ذرة فرانسيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع فرانسيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 1.87 g/cm³~ 16%
نقطة الانصهار 300 K 14%
نقطة الغليان 950 K 22%
الحرارة النوعية —
الموصلية الحرارية —

الذرية

نصف القطر الذري 260 pm~ 99%
نصف القطر التساهمي 260 pm
نصف قطر فان دير فالس 348 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 0.7 0%
طاقة التأين 392.7 kJ/mol 1%
الألفة الإلكترونية 45.3 kJ/mol 37%

الوجود

الوفرة في القشرة 0 mg/kg 0%

الهوية

الرمزFr
العدد الذري87
الكتلة الذرية223 u
الفئةفلز قلوي
المستوى الفرعيs
البنية البلوريةمكعب مركزي الجسم
حالات الأكسدة+1
سنة الاكتشاف1939
اكتشفهMarguerite Perey

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة فرانسيوم؟

نصف القطر 260 pm — أي 0.26 nm، ولذلك فإن نحو 1.92 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون فرانسيوم سائلًا ضمن مجال 650 K، من 300 K إلى 950 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع فرانسيوم في الدورة 7، والمجموعة 1. تشترك جميع العناصر في المجموعة 1 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر الفلزات القلوية الأخرى

جميع عناصر الفلزات القلوية

القصة

ماهيّة فرانسيوم وكيف اكتشفناه

ثاني أندر عنصر طبيعي، وأكثرها كهروجابية، لكن لم يرَ أحد قط عينة مرئية منه.

اكتشاف فرانسيوم

Marguerite Perey (1939)

اكتشفت Marguerite Perey الفرانسيوم عام 1939 في معهد كوري بباريس، مما جعلها آخر شخص يكتشف عنصرًا موجودًا طبيعيًا. وبينما كانت تعمل مساعدةً مختبريةً لدى Marie Curie، كانت Perey تدرس الاضمحلال المشع للأكتينيوم-227 عندما لاحظت أن بعض جسيمات ألفا لها طاقات لا تتطابق مع نواتج الاضمحلال المعروفة. وكشف تحليلها الدقيق عن وجود العنصر 87، الذي أسمته في البداية «أكتينيوم-K».

الكشف المضني

تطلب اكتشاف Perey صبرًا ودقةً استثنائيين. فقد اضطرت إلى تمييز الفرانسيوم من النواتج المشعة الأخرى من خلال قياس طاقات الاضمحلال وأعمار النصف والسلوك الكيميائي بعناية. وباستخدام معدات قياس إشعاعي أساسية متاحة عام 1939، أثبتت أن العنصر 87 يتصرف مثل فلز قلوي ويمتلك الخصائص المتوقعة للعنصر المفقود أسفل السيزيوم في الجدول الدوري.

الاعتراف والتسمية

اقترحت Perey في البداية اسم «كاتيوم» للعنصر 87، لكنها اختارت لاحقًا اسم «فرانسيوم» تكريمًا لوطنها. وأكد باحثون آخرون اكتشافها، واعترف به الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية رسميًا. وأصبحت Perey أول امرأة تُنتخب في الأكاديمية الفرنسية للعلوم عام 1962، ويرجع ذلك بدرجة كبيرة إلى اكتشافها الفرانسيوم وأبحاثها اللاحقة في الكيمياء النووية.

التوقيت والسياق التاريخي

جاء اكتشاف Perey في وقت حاسم من تاريخ الفيزياء النووية، حين بدأ العلماء للتو في فهم سلاسل الاضمحلال المشع والبنية النووية. وأسهم عملها في الإطار النظري الذي قاد بعد ذلك بوقت قصير إلى الأسلحة النووية والطاقة النووية. وساعد اكتشاف الفرانسيوم على إكمال الجدول الدوري الطبيعي والتحقق من تنبؤات مندليف بشأن العناصر غير المكتشفة.

الاستخدامات

استخدامات فرانسيوم

أبحاث الفيزياء الذرية

يُستخدم الفرانسيوم بوصفه حالة اختبار نهائية لنظريات الفيزياء الذرية والحسابات الميكانيكية الكمّية. وبما أنه أكثر العناصر كهروجابية، توفّر ذرات الفرانسيوم رؤى فريدة حول سلوك الإلكترون في الظروف القصوى. يستخدم الباحثون تقنيات التبريد بالليزر والحبس المغناطيسي لدراسة ذرات الفرانسيوم المفردة، واختبار مبادئ الفيزياء الأساسية والبحث عن فيزياء تتجاوز النموذج المعياري. لا تتطلب هذه التجارب سوى بضعة آلاف من الذرات، وتساعد على التحقق من النماذج النظرية للبنية الذرية.

دراسات انتهاك التناظر المكافئ

يُعد الفرانسيوم ذا قيمة خاصة لدراسة انتهاك التناظر المكافئ في الأنظمة الذرية، وهو لا تناظر أساسي في الطبيعة تتغير فيه القوانين الفيزيائية عند الانعكاس المرآتي. تُستخدم نظيرا Fr-210 وFr-212 في قياسات دقيقة تختبر النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات وتبحث عن ظواهر فيزيائية جديدة. تساعد هذه التجارب العلماء على فهم سبب احتواء الكون على مادة أكثر من المادة المضادة.

اختبارات الثوابت الأساسية

يستخدم الباحثون ذرات الفرانسيوم لاختبار ما إذا كانت الثوابت الأساسية في الطبيعة، مثل ثابت البنية الدقيقة، تتغير بمرور الزمن أو تختلف باختلاف الموقع. وتتطلب هذه القياسات التحليل الطيفي فائق الدقة للانتقالات الذرية في الفرانسيوم، وتساعد على معالجة بعض أعمق الأسئلة في الفيزياء حول استقرار القوانين الطبيعية وشموليتها.

الدراسات التعليمية والنظرية

على الرغم من ندرة عينات الفرانسيوم الفعلية إلى حد يستحيل معه الحصول عليها، تساعد المحاكاة الحاسوبية والنماذج النظرية للفرانسيوم على تدريب علماء الفيزياء الذرية واختبار الأساليب الحاسوبية. ويساعد فهم الخصائص المتوقعة للفرانسيوم الباحثين على الاستعداد لدراسة العناصر فائقة الثقل والتحقق من الأساليب النظرية المستخدمة في جميع أنحاء الجدول الدوري.

للأبحاث المتخصصة فقط

لا يمتلك الفرانسيوم أي تطبيقات عملية خارج أبحاث الفيزياء الذرية المتخصصة للغاية. فندرته الشديدة، إذ يوجد أقل من 30 غرامًا منه في الأرض في أي وقت، وعمر النصف القصير له، إذ لا يدوم أطول نظير عمرًا، Fr-223، سوى 22 دقيقة، يجعلان تراكمه بكميات مفيدة مستحيلًا. وتشمل جميع الاستخدامات البحثية ذرات مفردة أو مجموعات تضم أقل من 10,000 ذرة تُدرس في أنظمة فراغ فائق.

تجارب التحليل الطيفي بالليزر

يستخدم العلماء أنظمة ليزر متطورة لحبس ذرات الفرانسيوم ودراستها ذرةً ذرة. وتقيس هذه التجارب خصائص ذرية مثل البنية فائقة الدقة، وانزياحات النظائر، وانتقالات ثنائي القطب الكهربائي بدقة استثنائية. وتساعد البيانات على تحسين النظرية الذرية، وتوفر معايير لاختبار الحسابات الميكانيكية الكمّية في الذرات الثقيلة.

دراسات الحبس المغناطيسي

يمكن إبطاء ذرات الفرانسيوم وحبسها باستخدام تقنيات التبريد بالليزر، مما يتيح دراسة مفصلة لسلوكها عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. توفر هذه التجارب رؤى حول ميكانيكا الكم على مستوى الذرة المفردة، وتساعد على تطوير تقنيات تُطبّق لاحقًا على الفلزات القلوية الأخرى ذات التطبيقات العملية في الحوسبة الكمّية والساعات الذرية.

وضع معايير للنماذج النظرية

تجعل الخصائص القصوى للفرانسيوم منه مادة قيّمة لاختبار النماذج النظرية المستخدمة في الكيمياء والفيزياء وتحسينها. وتتحقق التنبؤات الدقيقة لسلوك الفرانسيوم من صحة الأساليب الحاسوبية التي تُطبّق بعد ذلك لتصميم مواد جديدة، والتنبؤ بالتفاعلات الكيميائية، وفهم سلوك العناصر الثقيلة الأخرى التي يصعب أو يشكل خطرًا دراستها تجريبيًا.

مصدره

الوجود الطبيعي

0 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 0% من العناصر

وجود طبيعي عابر

يوجد الفرانسيوم طبيعيًا في خامات اليورانيوم والثوريوم بوصفه ناتجًا وسيطًا نادرًا للغاية في سلاسل الاضمحلال المشع. وفي أي لحظة، يوجد أقل من 30 غرامًا من الفرانسيوم في كامل قشرة الأرض، مما يجعله أندر من الأستاتين. يظهر العنصر على هيئة Fr-223 في سلسلة اضمحلال الأكتينيوم، وهي سلسلة اليورانيوم-235، وعلى هيئة Fr-221 في سلسلة اضمحلال النبتونيوم، لكن هذين النظيرين يضمحلان سريعًا، إذ يبلغ عمر نصفهما 22 دقيقة و4.8 دقائق على التوالي.

أصول الاضمحلال المشع

يتكوّن الفرانسيوم الطبيعي عندما يخضع الأكتينيوم-227 لاضمحلال ألفا أو عندما يخضع الراديوم-223 لاضمحلال بيتا. تحدث هذه التفاعلات النووية في أعماق المعادن الحاوية على اليورانيوم، لكن ذرات الفرانسيوم المتكوّنة تضمحل سريعًا إلى الراديوم أو الأستاتين قبل أن تتمكن من التراكم. ويحافظ التكوّن المستمر لذرات الفرانسيوم وتدميرها على تركيز مستقر ضئيل للغاية.

التوزيع العالمي

نظرًا إلى أن الفرانسيوم يتكوّن من خلال الاضمحلال المشع لا العمليات الجيولوجية، فلا يتركز في منطقة جغرافية محددة. وتوجد كميات ضئيلة منه حيثما توجد رواسب اليورانيوم والثوريوم، بما في ذلك حوض أثاباسكا في كندا، ومنجم أوليمبيك دام في أستراليا، ورواسب اليورانيوم في كازاخستان والنيجر وجنوب غرب الولايات المتحدة. إلا أن تركيزاته منخفضة إلى حد يجعل استخراجه مستحيلًا ماديًا.

حسابات الوفرة

يقدّر العلماء وفرة الفرانسيوم بحساب التوازن بين معدل تكوّنه من الاضمحلال المشع ومعدل تدميره من خلال الاضمحلال اللاحق. وفي خام يورانيوم يحتوي على 1% من اليورانيوم، لا تصل تركيزات الفرانسيوم إلا إلى نحو 10^-18 غرام لكل غرام من الخام، وهو ما يعادل تقريبًا العثور على عملة فرنسية واحدة في كومة من المال تساوي قيمة الاقتصاد العالمي بأكمله.

التعامل

السلامة

فرانسيوم مشع. لا يملك نظيرًا مستقرًا — تتحلل كل نواة. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.

مشع وسام للغاية

جميع نظائر الفرانسيوم مشعة للغاية، وأطولها عمرًا، Fr-223، له عمر نصف لا يتجاوز 22 دقيقة. ويبعث الفرانسيوم جسيمات ألفا وجسيمات بيتا وأشعة غاما عالية الطاقة أثناء اضمحلاله. وحتى الكميات المجهرية منه قد توصل جرعات إشعاعية مميتة، كما أن تشابهه الكيميائي مع البوتاسيوم يعني أنه سيركّز في الأعضاء الحيوية، مسببًا تسممًا إشعاعيًا شديدًا ووفاة.

ضرورة الاحتواء المختبري

يتطلب بحث الفرانسيوم أكثر أنظمة الاحتواء تطورًا المتاحة، بما في ذلك حجرات الفراغ الفائق، وأجهزة التبريد بالليزر، ومعدات المناولة عن بُعد. ويجب إجراء جميع الأعمال في مرافق متخصصة مصممة للتعامل مع أخطر المواد المشعة. ويجب تدريب العاملين على بروتوكولات السلامة الإشعاعية المتقدمة وارتداء معدات الوقاية الكاملة.

لا توجد إجراءات مناولة آمنة

لا توجد إجراءات آمنة لمناولة كميات عيانية من الفرانسيوم، لأن هذه الكميات لا يمكن أن توجد؛ إذ ستضمحل فورًا إلى عناصر أخرى. وحتى الكميات على المستوى الذري المستخدمة في الأبحاث، والتي تقل عادةً عن 10,000 ذرة، تتطلب حذرًا شديدًا. وأي تسرب للفرانسيوم سينشئ مناطق إخلاء فورية وتلوثًا طويل الأمد.

تقييم السمية النظري

مع أن تعرض الإنسان المباشر للفرانسيوم مستحيل بسبب ندرته، تشير التقييمات النظرية إلى أنه سيكون إحدى أكثر المواد سميةً المعروفة. فسيؤدي تشابهه الكيميائي مع البوتاسيوم والسيزيوم إلى تعطيل العمليات الخلوية في أنحاء الجسم، بينما سيسبب إشعاعه الشديد داءً إشعاعيًا فوريًا وفشل الأعضاء والوفاة خلال ساعات من التعرض.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن فرانسيوم

ما هو فرانسيوم؟

فرانسيوم (رمزه Fr) هو العنصر 87 في الجدول الدوري، وينتمي إلى فلز قلوي في الدورة 7 والمجموعة 1. ثاني أندر عنصر طبيعي، وأكثرها كهروجابية، لكن لم يرَ أحد قط عينة مرئية منه. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.

ما التوزيع الإلكتروني لـ فرانسيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـفرانسيوم هو [Rn] 7s¹، ويشغل 7 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1.

ما نقطتا انصهار وغليان فرانسيوم؟

ينصهر فرانسيوم عند 300 K (26.9 °C) ويغلي عند 950 K (676.9 °C). سينصهر في غرفة دافئة أو في راحة يدك.

ما الكتلة الذرية لـ فرانسيوم؟

لا يملك فرانسيوم أي نظير مستقر، ولذلك لا يملك وزناً ذرياً معيارياً. والرقم المذكور، 223، هو العدد الكتلي لأطول نظائره المعروفة عمراً.

ما كثافة فرانسيوم؟

يُتوقع أن تبلغ كثافة فرانسيوم نحو 1.87 g/cm³، مع أنه لم تُصنع قط عينة كبيرة بما يكفي لوزنها. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³ للمقارنة.

ما الكهروسلبية لـ فرانسيوم؟

تبلغ كهروسلبية فرانسيوم وفق مقياس باولنغ 0.7. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تعني قيمة كهذه الانخفاض أنه يمنح إلكتروناته الخارجية بسهولة، مكوِّنًا أيونات موجبة.

من اكتشف فرانسيوم ومتى؟

اكتُشف فرانسيوم في 1939 على يد Marguerite Perey. سُمّي على اسم فرنسا.

ما مدى وفرة فرانسيوم على الأرض؟

لا يوجد فرانسيوم طبيعيًا على الأرض بأي كمية تُذكر — بل يُنتج في مفاعل أو مُسرّع.

هل فرانسيوم مشع؟

نعم. لا يوجد لـ فرانسيوم أي نظير مستقر — إذ تتحلل كل نواته. توجد كميات ضئيلة منه طبيعيًا بوصفها نواتج اضمحلال العناصر الأثقل.