Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место франций занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 260 pm — that is 0.26 nm, so about 1923 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Франций is liquid over a 650 K window, from 300 K to 950 K.
История
The second rarest natural element, and the most electropositive — but no one has ever seen a visible sample.
Франций был открыт в 1939 году французским химиком Marguerite Perey в Институте Кюри в Париже, что сделало её последним человеком, открывшим встречающийся в природе элемент. Работая ассистентом в лаборатории Marie Curie, Perey изучала радиоактивный распад актиния-227, когда заметила, что некоторые альфа-частицы имели энергию, не соответствующую известным продуктам распада. Её тщательный анализ выявил существование элемента 87, который сначала был назван ею «актиний-К».
Открытие Perey потребовало исключительных терпения и точности. Ей пришлось отличить франций от других радиоактивных продуктов, тщательно измеряя энергии распада, периоды полураспада и химические свойства. Используя лишь базовое радиометрическое оборудование, доступное в 1939 году, она доказала, что элемент 87 ведёт себя как щелочной металл и обладает предсказанными свойствами недостающего элемента ниже цезия в периодической таблице.
Perey первоначально предложила название «катий» для элемента 87, но позднее выбрала название «франций» в честь своей родины. Её открытие подтвердили другие исследователи, и оно было официально признано Международным союзом теоретической и прикладной химии. В 1962 году Perey стала первой женщиной, избранной во Французскую академию наук, во многом благодаря открытию франция и последующим исследованиям в области ядерной химии.
Открытие Perey произошло в решающий период развития ядерной физики, когда учёные только начинали понимать цепочки радиоактивного распада и строение ядра. Её работа внесла вклад в теоретическую основу, которая вскоре привела к созданию ядерного оружия и ядерной энергетики. Открытие франция помогло завершить естественную периодическую таблицу и подтвердило предсказания Менделеева о неизвестных элементах.
Применение
Франций служит уникальным объектом для проверки теорий атомной физики и квантово-механических расчётов. Как самый электроположительный элемент, атомы франция дают уникальную информацию о поведении электронов в экстремальных условиях. Исследователи используют методы лазерного охлаждения и магнитного удержания для изучения отдельных атомов франция, проверяя фундаментальные физические принципы и осуществляя поиск физики за пределами Стандартной модели. Для этих экспериментов требуется всего несколько тысяч атомов, а их результаты помогают подтверждать теоретические модели строения атома.
Франций особенно ценен для изучения нарушения чётности в атомных системах — фундаментальной асимметрии природы, при которой физические законы изменяются при зеркальном отражении. Изотопы Fr-210 и Fr-212 используют в высокоточных измерениях, проверяющих Стандартную модель физики частиц и позволяющих искать новые физические явления. Эти эксперименты помогают учёным понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Исследователи используют атомы франция, чтобы проверить, изменяются ли фундаментальные константы природы, например постоянная тонкой структуры, со временем или в зависимости от местоположения. Для этих измерений требуется исключительно точная спектроскопия атомных переходов франция. Они помогают изучать одни из глубочайших вопросов физики, связанные со стабильностью и универсальностью законов природы.
Хотя реальные образцы франция невероятно редки, компьютерные симуляции и теоретические модели франция помогают обучать физиков-атомщиков и проверять вычислительные методы. Изучение предсказанных свойств франция помогает исследователям готовиться к исследованиям сверхтяжёлых элементов и подтверждает теоретические подходы, применяемые во всей периодической таблице.
Франций не имеет практического применения за пределами узкоспециализированных исследований атомной физики. Его чрезвычайная редкость (в любой момент на Земле существует менее 30 граммов) и короткий период полураспада (самый долгоживущий изотоп Fr-223 существует всего 22 минуты) делают невозможным накопление полезных количеств. Во всех исследованиях используются отдельные атомы или совокупности менее чем из 10 000 атомов, изучаемые в системах со сверхвысоким вакуумом.
Учёные используют сложные лазерные системы, чтобы удерживать и изучать атомы франция по одному. В этих экспериментах с необычайной точностью измеряют такие свойства атомов, как сверхтонкая структура, изотопические сдвиги и электрические дипольные переходы. Полученные данные помогают уточнять атомную теорию и служат эталоном для проверки квантово-механических расчётов тяжёлых атомов.
Атомы франция можно замедлять и удерживать с помощью методов лазерного охлаждения, что позволяет подробно изучать их поведение при температурах, близких к абсолютному нулю. Эти эксперименты дают представление о квантовой механике на уровне отдельных атомов и помогают разрабатывать методы, позднее применяемые к другим щелочным металлам в квантовых вычислениях и атомных часах.
Экстремальные свойства франция делают его ценным для проверки и уточнения теоретических моделей, используемых в химии и физике. Точные предсказания поведения франция подтверждают вычислительные методы, которые затем применяют для разработки новых материалов, предсказания химических реакций и изучения поведения других тяжёлых элементов, которые трудно или опасно исследовать экспериментально.
Откуда он берётся
0 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 0% of elements
Франций естественным образом присутствует в урановых и ториевых рудах как чрезвычайно редкий промежуточный продукт радиоактивных цепочек распада. В любой момент во всей земной коре существует менее 30 граммов франция, что делает его более редким, чем астат. Элемент встречается в виде Fr-223 в ряду распада актиния (цепочка урана-235) и в виде Fr-221 в ряду распада нептуния, однако эти изотопы быстро распадаются: их периоды полураспада составляют соответственно 22 минуты и 4,8 минуты.
Природный франций образуется, когда актиний-227 претерпевает альфа-распад или радий-223 претерпевает бета-распад. Эти ядерные реакции происходят глубоко внутри уран-содержащих минералов, но созданные атомы франция быстро распадаются до радия или астата, прежде чем успевают накопиться. Непрерывное образование и разрушение атомов франция поддерживает стационарную концентрацию, которая исчезающе мала.
Поскольку франций образуется в результате радиоактивного распада, а не геологических процессов, он не имеет определённой географической концентрации. Следовые количества существуют везде, где встречаются залежи урана и тория, включая бассейн Атабаска в Канаде, Олимпик-Дам в Австралии, а также месторождения урана в Казахстане, Нигере и на юго-западе США. Однако концентрации настолько малы, что добыча физически невозможна.
Учёные оценивают распространённость франция, рассчитывая соотношение между скоростью его образования в результате радиоактивного распада и скоростью его разрушения при дальнейшем распаде. В урановой руде, содержащей 1% урана, концентрация франция достигает лишь около 10^-18 грамма на грамм руды — примерно столько же, сколько один франковый жетон в куче денег стоимостью со всю мировую экономику.
Обращение
Франций радиоактивен. It has no stable isotope — every nucleus decays. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
Все изотопы франция чрезвычайно радиоактивны; период полураспада самого долгоживущего изотопа (Fr-223) составляет всего 22 минуты. При распаде франций испускает высокоэнергетические альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Даже микроскопические количества вызвали бы смертельные дозы радиации, а химическое сходство франция с калием привело бы к его накоплению в жизненно важных органах, вызывая тяжёлое радиационное отравление и смерть.
Исследования франция требуют самых совершенных доступных систем изоляции, включая камеры со сверхвысоким вакуумом, установки лазерного охлаждения и оборудование для дистанционного манипулирования. Все работы должны проводиться в специализированных учреждениях, предназначенных для обращения с наиболее опасными радиоактивными материалами. Персонал должен быть обучен современным протоколам радиационной безопасности и носить полный комплект защитного оборудования.
Безопасных процедур обращения с макроскопическими количествами франция не существует, поскольку такие количества не могут существовать: они немедленно распались бы на другие элементы. Даже используемые в исследованиях количества атомного масштаба (обычно менее 10 000 атомов) требуют предельной осторожности. Любой выброс франция привёл бы к немедленной эвакуации и длительному загрязнению.
Хотя прямое воздействие франция на человека невозможно из-за его редкости, теоретические оценки показывают, что он был бы одним из самых токсичных известных веществ. Его химическое сходство с калием и цезием нарушило бы клеточные процессы во всём организме, а интенсивная радиоактивность вызвала бы немедленную лучевую болезнь, отказ органов и смерть в течение нескольких часов после воздействия.
Краткие ответы
Франций (symbol Fr) is element 87 on the periodic table, a щелочной металл in period 7, group 1. The second rarest natural element, and the most electropositive — but no one has ever seen a visible sample. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 7s¹, giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 electrons respectively.Франций melts at 300 K (26.9 °C) and boils at 950 K (676.9 °C). It will melt in a warm room or in the palm of your hand.
Франций has no stable isotope, so it has no standard atomic weight. The figure quoted, 223, is the mass number of its longest-lived known isotope.
Франций is predicted to have a density of about 1.87 g/cm³, though no sample large enough to weigh has ever been made. Water is 1.0 g/cm³ for comparison.
Франций has a Pauling electronegativity of 0.7. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
Франций was discovered in 1939 by Marguerite Perey. It is named after france.
Франций does not occur naturally on Earth in any meaningful quantity — it is made in a reactor or an accelerator.
Yes. Франций has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.