Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Francium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 260 pm — das entspricht 0,26 nm; etwa 1,92 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Francium ist über einen Bereich von 650 K flüssig, von 300 K bis 950 K.
Die Geschichte
Das zweitseltenste natürliche Element und das elektropositivste – doch niemand hat je eine sichtbare Probe gesehen.
Francium wurde 1939 von der französischen Chemikerin Marguerite Perey am Curie-Institut in Paris entdeckt. Damit war sie die letzte Person, die ein natürlich vorkommendes Element entdeckte. Als Laborassistentin von Marie Curie untersuchte Perey den radioaktiven Zerfall von Actinium-227, als sie bemerkte, dass einige Alphateilchen Energien besaßen, die nicht zu bekannten Zerfallsprodukten passten. Ihre sorgfältige Analyse enthüllte die Existenz des Elements 87, das sie zunächst „Actinium-K“ nannte.
Pereys Entdeckung erforderte außergewöhnliche Geduld und Präzision. Sie musste Francium von anderen radioaktiven Produkten unterscheiden, indem sie Zerfallsenergien, Halbwertszeiten und chemisches Verhalten sorgfältig maß. Mit der grundlegenden radiometrischen Ausrüstung, die 1939 verfügbar war, bewies sie, dass sich Element 87 wie ein Alkalimetall verhielt und die vorhergesagten Eigenschaften des fehlenden Elements unterhalb von Cäsium im Periodensystem besaß.
Perey schlug zunächst den Namen „Catium“ für Element 87 vor, wählte später jedoch „Francium“ zu Ehren ihrer Heimat. Ihre Entdeckung wurde von anderen Forschenden bestätigt und von der International Union of Pure and Applied Chemistry offiziell anerkannt. Perey wurde 1962 als erste Frau in die Französische Akademie der Wissenschaften gewählt, vor allem aufgrund ihrer Entdeckung von Francium und ihrer anschließenden Forschung in der Kernchemie.
Pereys Entdeckung erfolgte zu einem entscheidenden Zeitpunkt in der Kernphysik, als Wissenschaftler gerade begannen, radioaktive Zerfallsreihen und den Aufbau von Atomkernen zu verstehen. Ihre Arbeit trug zu dem theoretischen Rahmen bei, der bald zu Kernwaffen und Kernenergie führen sollte. Die Entdeckung von Francium half dabei, das natürliche Periodensystem zu vervollständigen, und bestätigte Mendelejews Vorhersagen über unentdeckte Elemente.
Anwendungen
Francium dient als ultimativer Prüfstein für Theorien der Atomphysik und quantenmechanische Berechnungen. Als elektropositivstes Element liefern Franciumatome einzigartige Einblicke in das Verhalten von Elektronen unter extremen Bedingungen. Forschende verwenden Laserkühlungs- und Magnetfallenverfahren, um einzelne Franciumatome zu untersuchen, grundlegende physikalische Prinzipien zu testen und nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Diese Experimente benötigen nur wenige Tausend Atome und helfen dabei, theoretische Modelle des Atombaus zu bestätigen.
Francium ist besonders wertvoll für die Untersuchung der Paritätsverletzung in atomaren Systemen – einer grundlegenden Asymmetrie der Natur, bei der sich physikalische Gesetze unter Spiegelung verändern. Die Isotope Fr-210 und Fr-212 werden für Präzisionsmessungen eingesetzt, die das Standardmodell der Teilchenphysik prüfen und nach neuen physikalischen Phänomenen suchen. Diese Experimente helfen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu verstehen, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält.
Forschende verwenden Franciumatome, um zu prüfen, ob sich fundamentale Naturkonstanten (wie die Feinstrukturkonstante) im Laufe der Zeit verändern oder vom Ort abhängen. Diese Messungen erfordern eine äußerst präzise Spektroskopie atomarer Übergänge von Francium und helfen dabei, einige der tiefgreifendsten Fragen der Physik zur Stabilität und Universalität der Naturgesetze zu untersuchen.
Da tatsächliche Franciumproben praktisch unmöglich selten sind, helfen Computersimulationen und theoretische Modelle von Francium bei der Ausbildung von Atomphysikern und beim Testen rechnerischer Methoden. Das Verständnis der vorhergesagten Eigenschaften von Francium hilft Forschenden, Untersuchungen superschwerer Elemente vorzubereiten, und bestätigt theoretische Ansätze, die im gesamten Periodensystem verwendet werden.
Francium hat außerhalb hoch spezialisierter atomphysikalischer Forschung keine praktischen Anwendungen. Seine extreme Seltenheit (zu jedem Zeitpunkt existieren auf der Erde weniger als 30 Gramm) und seine kurze Halbwertszeit (das langlebigste Isotop Fr-223 besteht nur 22 Minuten) machen es unmöglich, es in nutzbaren Mengen anzureichern. Alle Forschungsanwendungen betreffen einzelne Atome oder Ansammlungen von weniger als 10.000 Atomen, die in Ultrahochvakuumsystemen untersucht werden.
Wissenschaftler verwenden ausgeklügelte Lasersysteme, um Franciumatome einzeln einzufangen und zu untersuchen. Bei diesen Experimenten werden atomare Eigenschaften wie Hyperfeinstruktur, Isotopenverschiebungen und elektrische Dipolübergänge mit außergewöhnlicher Präzision gemessen. Die Daten helfen, die Atomtheorie zu verfeinern, und liefern Vergleichswerte für die Prüfung quantenmechanischer Berechnungen in schweren Atomen.
Franciumatome können mithilfe von Laserkühlung abgebremst und eingefangen werden, wodurch eine detaillierte Untersuchung ihres Verhaltens bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt möglich wird. Diese Experimente liefern Einblicke in die Quantenmechanik auf der Ebene einzelner Atome und helfen bei der Entwicklung von Verfahren, die später auf andere Alkalimetalle mit praktischen Anwendungen in der Quanteninformatik und bei Atomuhren angewendet werden.
Die extremen Eigenschaften von Francium machen es wertvoll für die Prüfung und Verfeinerung theoretischer Modelle, die in Chemie und Physik verwendet werden. Genaue Vorhersagen des Verhaltens von Francium bestätigen Rechenmethoden, die anschließend zur Entwicklung neuer Materialien, zur Vorhersage chemischer Reaktionen und zum Verständnis des Verhaltens anderer schwerer Elemente eingesetzt werden, die experimentell nur schwer oder gefährlich zu untersuchen sind.
Woher es stammt
0 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 0 % der Elemente
Francium kommt natürlich in Uran- und Thoriumerzen als äußerst seltenes Zwischenprodukt radioaktiver Zerfallsreihen vor. Zu jedem Zeitpunkt existieren in der gesamten Erdkruste weniger als 30 Gramm Francium – damit ist es seltener als Astat. Das Element tritt als Fr-223 in der Actinium-Zerfallsreihe (Uranium-235-Kette) und als Fr-221 in der Neptunium-Zerfallsreihe auf, doch diese Isotope zerfallen schnell mit Halbwertszeiten von 22 Minuten beziehungsweise 4,8 Minuten.
Natürliches Francium entsteht, wenn Actinium-227 einen Alphazerfall oder Radium-223 einen Betazerfall durchläuft. Diese Kernreaktionen finden tief im Inneren uranhaltiger Mineralien statt, doch die entstehenden Franciumatome zerfallen schnell zu Radium oder Astat, bevor sie sich anreichern können. Die kontinuierliche Entstehung und Zerstörung von Franciumatomen hält eine stationäre Konzentration aufrecht, die verschwindend gering ist.
Da Francium durch radioaktiven Zerfall und nicht durch geologische Prozesse entsteht, weist es keine bestimmte geografische Konzentration auf. Spurenmengen existieren überall dort, wo Uran- und Thoriumvorkommen auftreten, darunter das Athabasca-Becken in Kanada, Olympic Dam in Australien sowie Uranvorkommen in Kasachstan, Niger und im amerikanischen Südwesten. Die Konzentrationen sind jedoch so niedrig, dass eine Gewinnung physikalisch unmöglich ist.
Wissenschaftler schätzen die Häufigkeit von Francium, indem sie das Gleichgewicht zwischen seiner Bildungsrate durch radioaktiven Zerfall und seiner Zerstörungsrate durch weiteren Zerfall berechnen. In Uranerz mit einem Urananteil von 1 % erreichen die Franciumkonzentrationen nur etwa 10^-18 Gramm pro Gramm Erz – ungefähr so, als würde man eine einzelne Franciummünze in einem Geldhaufen im Wert der gesamten Weltwirtschaft finden.
Handhabung
Francium ist radioaktiv. Es besitzt kein stabiles Isotop — jeder Atomkern zerfällt. Die Handhabung erfordert eine geeignete Abschirmung und Genehmigungen.
Alle Franciumisotope sind extrem radioaktiv, wobei das langlebigste (Fr-223) eine Halbwertszeit von nur 22 Minuten hat. Francium emittiert beim Zerfall energiereiche Alphateilchen, Betateilchen und Gammastrahlung. Selbst mikroskopische Mengen würden tödliche Strahlendosen verursachen, und die chemische Ähnlichkeit von Francium mit Kalium würde dazu führen, dass es sich in lebenswichtigen Organen anreichert und schwere Strahlenvergiftung sowie den Tod verursacht.
Die Franciumforschung erfordert die modernsten verfügbaren Einschlusssysteme, darunter Ultrahochvakuumkammern, Laserkühlungsapparaturen und Geräte zur Fernmanipulation. Alle Arbeiten müssen in spezialisierten Einrichtungen durchgeführt werden, die für den Umgang mit den gefährlichsten radioaktiven Materialien ausgelegt sind. Das Personal muss in fortgeschrittenen Strahlenschutzverfahren geschult sein und vollständige Schutzausrüstung tragen.
Es gibt keine sicheren Verfahren für den Umgang mit makroskopischen Franciummengen, da solche Mengen nicht existieren können – sie würden sofort in andere Elemente zerfallen. Selbst die in der Forschung verwendeten Mengen auf atomarer Ebene (typischerweise weniger als 10.000 Atome) erfordern äußerste Vorsicht. Jede Freisetzung von Francium würde sofortige Evakuierungszonen und eine langfristige Kontamination verursachen.
Obwohl eine direkte Belastung des Menschen durch Francium aufgrund seiner Seltenheit unmöglich ist, legen theoretische Bewertungen nahe, dass es zu den giftigsten bekannten Stoffen gehören würde. Seine chemische Ähnlichkeit mit Kalium und Cäsium würde zelluläre Prozesse im gesamten Körper stören, während seine intensive Radioaktivität innerhalb weniger Stunden nach der Belastung sofortige Strahlenkrankheit, Organversagen und den Tod verursachen würde.
Schnelle Antworten
Francium (Symbol Fr) ist Element 87 im Periodensystem, ein Alkalimetall in der 7, Gruppe 1. Das zweitseltenste natürliche Element und das elektropositivste – doch niemand hat je eine sichtbare Probe gesehen. Bei Raumtemperatur ist es fest und radioaktiv.
[Rn] 7s¹; sie ergibt 7 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1.Francium schmilzt bei 300 K (26.9 °C) und siedet bei 950 K (676.9 °C). Es schmilzt in einem warmen Raum oder in der Handfläche.
Francium hat kein stabiles Isotop und daher keine Standardatommasse. Die angegebene Zahl 223 ist die Massenzahl seines langlebigsten bekannten Isotops.
Für Francium wird eine Dichte von etwa 1.87 g/cm³ vorhergesagt, obwohl noch nie eine ausreichend große Probe zum Wiegen hergestellt wurde. Zum Vergleich: Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³.
Francium hat eine Elektronegativität von 0.7 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Ein so niedriger Wert bedeutet, dass es seine Außenelektronen leicht abgibt und dabei positive Ionen bildet.
Francium wurde 1939 von Marguerite Perey entdeckt. Es ist nach frankreich benannt.
Francium kommt auf der Erde in keiner nennenswerten Menge natürlich vor — es wird in einem Reaktor oder einem Teilchenbeschleuniger hergestellt.
Ja. Francium hat kein stabiles Isotop — jeder seiner Atomkerne zerfällt. Spurenmengen kommen natürlich als Zerfallsprodukte schwererer Elemente vor.