Fr · Élément 87 · Métal alcalin
Le deuxième élément naturel le plus rare, et le plus électropositif — mais personne n’a jamais observé d’échantillon visible.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe francium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 260 pm — soit 0,26 nm ; il en faudrait donc environ 1,92 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Francium est liquide dans une plage de 650 K, de 300 K à 950 K.
L’histoire
Le deuxième élément naturel le plus rare, et le plus électropositif — mais personne n’a jamais observé d’échantillon visible.
Le francium a été découvert en 1939 par la chimiste française Marguerite Perey à l’Institut Curie à Paris, faisant d’elle la dernière personne à découvrir un élément présent naturellement. Alors qu’elle travaillait comme assistante de laboratoire de Marie Curie, Perey étudiait la désintégration radioactive de l’actinium-227 lorsqu’elle remarqua que certaines particules alpha avaient des énergies qui ne correspondaient pas aux produits de désintégration connus. Son analyse méticuleuse révéla l’existence de l’élément 87, qu’elle appela d’abord « actinium-K ».
La découverte de Perey nécessita une patience et une précision extraordinaires. Elle dut distinguer le francium des autres produits radioactifs en mesurant soigneusement les énergies de désintégration, les demi-vies et le comportement chimique. À l’aide des seuls équipements radiométriques rudimentaires disponibles en 1939, elle prouva que l’élément 87 se comportait comme un métal alcalin et possédait les propriétés prédites de l’élément manquant situé sous le césium dans le tableau périodique.
Perey proposa d’abord le nom « catium » pour l’élément 87, mais choisit ensuite « francium » en hommage à sa patrie. Sa découverte fut confirmée par d’autres chercheurs et officiellement reconnue par l’Union internationale de chimie pure et appliquée. Perey devint la première femme élue à l’Académie française des sciences en 1962, en grande partie grâce à sa découverte du francium et à ses recherches ultérieures en chimie nucléaire.
La découverte de Perey survint à un moment crucial de la physique nucléaire, alors que les scientifiques commençaient tout juste à comprendre les chaînes de désintégration radioactive et la structure nucléaire. Ses travaux contribuèrent au cadre théorique qui allait bientôt mener aux armes nucléaires et à l’énergie nucléaire. La découverte du francium contribua à compléter le tableau périodique naturel et valida les prédictions de Mendeleïev concernant les éléments encore inconnus.
Applications
Le francium sert de cas de test ultime pour les théories de la physique atomique et les calculs de mécanique quantique. En tant qu’élément le plus électropositif, les atomes de francium fournissent des informations uniques sur le comportement des électrons dans des conditions extrêmes. Les chercheurs utilisent des techniques de refroidissement laser et de piégeage magnétique pour étudier des atomes individuels de francium, tester les principes fondamentaux de la physique et rechercher des phénomènes physiques au-delà du modèle standard. Ces expériences ne nécessitent que quelques milliers d’atomes et contribuent à valider les modèles théoriques de la structure atomique.
Le francium est particulièrement utile pour étudier la violation de la parité dans les systèmes atomiques : une asymétrie fondamentale de la nature dans laquelle les lois physiques changent sous l’effet d’une réflexion dans un miroir. Les isotopes Fr-210 et Fr-212 sont utilisés dans des mesures de précision qui testent le modèle standard de la physique des particules et recherchent de nouveaux phénomènes physiques. Ces expériences aident les scientifiques à comprendre pourquoi l’Univers contient davantage de matière que d’antimatière.
Les chercheurs utilisent des atomes de francium pour déterminer si les constantes fondamentales de la nature, comme la constante de structure fine, changent au cours du temps ou varient selon le lieu. Ces mesures nécessitent une spectroscopie extrêmement précise des transitions atomiques du francium et contribuent à répondre à certaines des questions les plus profondes de la physique sur la stabilité et l’universalité des lois naturelles.
Bien que les échantillons réels de francium soient d’une rareté impossible à surmonter, les simulations informatiques et les modèles théoriques du francium aident à former les physiciens atomistes et à tester les méthodes de calcul. La compréhension des propriétés prédites du francium aide les chercheurs à préparer les études des éléments superlourds et valide les approches théoriques utilisées dans l’ensemble du tableau périodique.
Le francium n’a aucune application pratique en dehors de la recherche hautement spécialisée en physique atomique. Son extrême rareté — moins de 30 grammes existent sur Terre à un instant donné — et sa courte demi-vie — l’isotope à la plus longue durée de vie, Fr-223, ne dure que 22 minutes — rendent impossible son accumulation en quantités utiles. Toutes les utilisations de recherche concernent des atomes individuels ou des ensembles de moins de 10 000 atomes étudiés dans des systèmes à ultra-haut vide.
Les scientifiques utilisent des systèmes laser sophistiqués pour piéger et étudier les atomes de francium un par un. Ces expériences mesurent avec une précision extraordinaire des propriétés atomiques telles que la structure hyperfine, les déplacements isotopiques et les transitions de dipôle électrique. Les données contribuent à affiner la théorie atomique et fournissent des références pour tester les calculs de mécanique quantique dans les atomes lourds.
Les atomes de francium peuvent être ralentis et piégés grâce aux techniques de refroidissement laser, ce qui permet d’étudier en détail leur comportement à des températures proches du zéro absolu. Ces expériences apportent des informations sur la mécanique quantique à l’échelle d’un seul atome et contribuent au développement de techniques ensuite appliquées à d’autres métaux alcalins ayant des applications pratiques en informatique quantique et dans les horloges atomiques.
Les propriétés extrêmes du francium le rendent utile pour tester et affiner les modèles théoriques utilisés dans toute la chimie et la physique. Les prédictions précises du comportement du francium valident les méthodes de calcul ensuite appliquées à la conception de nouveaux matériaux, à la prédiction des réactions chimiques et à la compréhension du comportement d’autres éléments lourds difficiles ou dangereux à étudier expérimentalement.
D’où il vient
0 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 0 % des éléments
Le francium existe naturellement dans les minerais d’uranium et de thorium en tant que produit intermédiaire extrêmement rare des chaînes de désintégration radioactive. À un instant donné, moins de 30 grammes de francium existent dans toute la croûte terrestre, ce qui le rend plus rare que l’astate. L’élément se présente sous la forme de Fr-223 dans la série de désintégration de l’actinium, la chaîne de l’uranium-235, et de Fr-221 dans la série de désintégration du neptunium, mais ces isotopes se désintègrent rapidement, avec des demi-vies respectives de 22 minutes et de 4,8 minutes.
Le francium naturel se forme lorsque l’actinium-227 subit une désintégration alpha ou lorsque le radium-223 subit une désintégration bêta. Ces réactions nucléaires se produisent profondément dans les minéraux contenant de l’uranium, mais les atomes de francium créés se désintègrent rapidement en radium ou en astate avant de pouvoir s’accumuler. La création et la destruction continues des atomes de francium maintiennent une concentration en régime stationnaire qui est infinitésimale.
Comme le francium se forme par désintégration radioactive plutôt que par des processus géologiques, il ne présente aucune concentration géographique particulière. Des quantités infimes existent partout où se trouvent des gisements d’uranium et de thorium, notamment dans le bassin d’Athabasca au Canada, à Olympic Dam en Australie, ainsi que dans les gisements d’uranium du Kazakhstan, du Niger et du Sud-Ouest américain. Cependant, les concentrations sont si faibles que l’extraction est physiquement impossible.
Les scientifiques estiment l’abondance du francium en calculant l’équilibre entre sa vitesse de formation par désintégration radioactive et sa vitesse de destruction par une désintégration ultérieure. Dans un minerai d’uranium contenant 1 % d’uranium, les concentrations de francium n’atteignent qu’environ 10^-18 grammes par gramme de minerai, ce qui équivaut à trouver une seule pièce de francium dans une quantité d’argent ayant la valeur de l’économie mondiale entière.
Manipulation
Francium est radioactif. Il ne possède aucun isotope stable : chaque noyau se désintègre. Sa manipulation exige un blindage et des autorisations appropriés.
Tous les isotopes du francium sont extrêmement radioactifs, le plus durable, Fr-223, ayant une demi-vie de seulement 22 minutes. Le francium émet des particules alpha et bêta de haute énergie ainsi que des rayons gamma lors de sa désintégration. Même des quantités microscopiques provoqueraient des doses de rayonnement mortelles, et la similarité chimique du francium avec le potassium entraînerait sa concentration dans les organes vitaux, causant un empoisonnement grave par irradiation et la mort.
La recherche sur le francium nécessite les systèmes de confinement les plus sophistiqués disponibles, notamment des chambres à ultra-haut vide, des dispositifs de refroidissement laser et des équipements de manipulation à distance. Tout travail doit être effectué dans des installations spécialisées conçues pour manipuler les matières radioactives les plus dangereuses. Le personnel doit être formé aux protocoles avancés de sécurité radiologique et porter un équipement de protection complet.
Il n’existe aucune procédure sûre pour manipuler des quantités macroscopiques de francium, car de telles quantités ne peuvent pas exister : elles se désintégreraient immédiatement en d’autres éléments. Même les quantités à l’échelle atomique utilisées en recherche, généralement inférieures à 10 000 atomes, nécessitent une prudence extrême. Tout rejet de francium entraînerait la création immédiate de zones d’évacuation et une contamination à long terme.
Bien qu’une exposition humaine directe au francium soit impossible en raison de sa rareté, les évaluations théoriques suggèrent qu’il compterait parmi les substances les plus toxiques connues. Sa similarité chimique avec le potassium et le césium perturberait les processus cellulaires dans tout l’organisme, tandis que sa radioactivité intense provoquerait immédiatement le mal des rayons, une défaillance des organes et la mort dans les heures suivant l’exposition.
Réponses rapides
Francium (symbole Fr) est l’élément 87 du tableau périodique, un Métal alcalin de la période 7, du groupe 1. Le deuxième élément naturel le plus rare, et le plus électropositif — mais personne n’a jamais observé d’échantillon visible. À température ambiante, c’est un solide et il est radioactif.
[Rn] 7s¹ ; elle comporte 7 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1.Francium fond à 300 K (26.9 °C) et bout à 950 K (676.9 °C). Il fondra dans une pièce chaude ou dans la paume de la main.
Francium n’a aucun isotope stable ; il n’a donc pas de masse atomique standard. La valeur indiquée, 223, est le nombre de masse de son isotope connu ayant la plus longue durée de vie.
On prévoit que Francium aura une masse volumique d’environ 1.87 g/cm³, bien qu’aucun échantillon suffisamment grand pour être pesé n’ait jamais été produit. À titre de comparaison, l’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³.
Francium a une électronégativité de Pauling de 0.7. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Une valeur aussi faible signifie qu’il cède facilement ses électrons externes, formant des ions positifs.
Francium a été découvert en 1939 par Marguerite Perey. Il porte le nom de la France.
Francium n’existe pas naturellement sur Terre en quantité significative — il est produit dans un réacteur ou un accélérateur.
Oui. Francium ne possède aucun isotope stable — chacun de ses noyaux se désintègre. De faibles quantités sont présentes naturellement comme produits de désintégration d’éléments plus lourds.