Fr · Элемент 87 · Щелочной металл
Второй по редкости природный элемент и самый электроположительный, но никто никогда не видел его видимый образец.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение франций среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 260 pm — это 0,26 нм, поэтому около 1,92 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Франций находится в жидком состоянии в диапазоне 650 K — от 300 K до 950 K.
История
Второй по редкости природный элемент и самый электроположительный, но никто никогда не видел его видимый образец.
Франций был открыт в 1939 году французским химиком Маргаритой Пере в Институте Кюри в Париже, что сделало её последним человеком, открывшим природный элемент. Работая лаборантом Марии Кюри, Пере изучала радиоактивный распад актиния-227, когда заметила, что некоторые альфа-частицы обладали энергиями, не соответствовавшими известным продуктам распада. Её тщательный анализ выявил существование элемента 87, который она сначала назвала «актинием-К».
Открытие Пере 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 под цезием в периодической таблице.
Сначала Пере предложила название «катиум» для элемента 87, но позже выбрала название «франций» в честь своей родины. Её открытие подтвердили другие исследователи, а Международный союз теоретической и прикладной химии официально признал его. В 1962 году Пере стала первой женщиной, избранной во Французскую академию наук, главным образом благодаря открытию франция и последующим исследованиям в области ядерной химии.
Открытие Пере 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 природную периодическую таблицу и подтвердило предсказания Менделеева о ещё не открытых элементах.
Применение
Франций служит идеальным объектом для проверки теорий атомной физики и расчётов квантовой механики. Будучи самым электроположительным элементом, 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 принципы физики и ища физические явления 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 элементарных частиц и позволяющих искать новые физические явления. Эти эксперименты помогают учёным понять, почему во Вселенной материи больше, чем антиматерии.
Исследователи используют атомы франция, чтобы проверить, изменяются ли фундаментальные константы природы, например постоянная тонкой структуры, со временем или в зависимости от положения. Эти измерения требуют чрезвычайно точной спектроскопии атомных переходов франция и помогают отвечать на одни из глубочайших вопросов физики о стабильности и универсальности законов природы.
Хотя реальные образцы франция практически невозможно получить, компьютерные симуляции и теоретические модели франция помогают обучать специалистов по атомной физике и проверять вычислительные методы. Понимание предсказанных свойств франция помогает исследователям готовиться к изучению сверхтяжёлых элементов и подтверждает теоретические подходы, используемые для всей периодической таблицы.
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 франция в полезных количествах. Все исследовательские применения связаны с отдельными атомами или совокупностями менее 10 000 атомов, изучаемыми в системах со сверхвысоким вакуумом.
Учёные используют сложные лазерные системы, чтобы удерживать и изучать атомы франция по одному. В этих экспериментах с чрезвычайной точностью измеряют такие свойства атомов, как сверхтонкая структура, изотопические сдвиги и электрические дипольные переходы. Эти данные помогают уточнять атомную теорию и служат эталоном для проверки расчётов квантовой механики в тяжёлых атомах.
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 практических задачах квантовых вычислений и атомных часов.
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 создания новых материалов, предсказания химических реакций и понимания поведения других тяжёлых элементов, трудных или опасных для экспериментального изучения.
Откуда он происходит
0 мг/кг земной коры · более распространён, чем 0% элементов
Франций естественным образом существует в урановых и ториевых рудах как крайне редкий промежуточный продукт цепочек радиоактивного распада. В любой момент во всей земной коре присутствует менее 30 граммов франция, поэтому он встречается ещё реже астата. Элемент существует 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 урансодержащих минералов, однако образовавшиеся атомы франция быстро распадаются с образованием 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 есть месторождения урана и тория, включая бассейн Атабаска в Канаде, Олимпик-Дэм в Австралии, а также месторождения урана в Казахстане, Нигере и на юго-западе США. Однако концентрации настолько малы, что извлечение физически невозможно.
Учёные оценивают распространённость франция, рассчитывая соотношение между скоростью его образования при радиоактивном распаде и скоростью его разрушения в результате дальнейшего распада. В урановой руде, содержащей 1% урана, концентрация франция достигает лишь около 10^-18 грамма на грамм руды — примерно как найти одну франциевую монету в куче денег стоимостью со всю мировую экономику.
Обращение
Франций радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. 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-излучение. Даже микроскопические количества вызвали бы смертельные дозы облучения, 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 для лазерного охлаждения и оборудование для дистанционного управления. Все работы должны проводиться в специализированных учреждениях, предназначенных для обращения с наиболее опасными радиоактивными материалами. Персонал должен быть обучен передовым протоколам радиационной безопасности и носить полный комплект защитного оборудования.
Безопасных процедур обращения с макроскопическими количествами франция не существует, поскольку такие количества не могут образоваться: 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 приведёт к немедленному созданию зон 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 нарушало бы клеточные процессы во всём организме, а интенсивная радиоактивность вызывала бы немедленную лучевую болезнь, отказ органов и смерть в течение нескольких часов после воздействия.
Краткие ответы
Франций (символ Fr) — элемент 87 в периодической таблице, представитель семейства Щелочной металл в 7 периоде, 1 группе. Второй по редкости природный элемент и самый электроположительный, но никто никогда не видел его видимый образец. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 7s¹; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1.Франций плавится при 300 K (26.9 °C) и кипит при 950 K (676.9 °C). Он расплавится в тёплой комнате или на ладони.
У Франций нет стабильных изотопов, поэтому для него не существует стандартной атомной массы. Указанное значение 223 — массовое число наиболее долгоживущего известного изотопа.
Предполагается, что плотность Франций составляет около 1.87 г/см³, хотя образец, достаточно большой для взвешивания, ещё ни разу не был получен. Для сравнения, плотность воды — 1,0 г/см³.
Электроотрицательность Франций по шкале Полинга составляет 0.7. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Франций был открыт в 1939 году Marguerite Perey. Назван в честь франция.
Франций практически не встречается в природе на Земле — его получают в реакторе или ускорителе.
Да. Франций не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.