钫

**钫 ₈₇Fr**
	氡 ← 钫 → 鐳
外觀
	銀白色（預測）
概況
名稱·符號·序數	钫（Francium）·Fr·87
元素類別	碱金属
族·週期·區	1·7·s
標準原子質量	(223)
電子排布	[Rn] 7s1; 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
歷史
發現	馬格利特·佩里（1939年）
分離	馬格利特·佩里（1939年）
物理性質
物態	液體估計（有可能為固體，因其熔點的估計值恰位於室溫（25°C）上下）
密度	（接近室温）; ? 1.87（推算） g·cm−3
熔點	? 300 K，? 27 °C，? 80 °F
沸點	? 950 K，? 677 °C，? 1250 °F
熔化熱	約2 kJ·mol−1
汽化熱	ca. 65 kJ·mol−1
原子性質
氧化態	1（強鹼性氧化物）
電負性	0.7（鲍林标度）
電離能	第一：380 kJ·mol−1
共價半徑	260（推算） pm
范德華半徑	348（推算） pm
雜項
晶體結構	体心立方 (预测)
磁序	順磁性
電阻率	3 µ（計算值） Ω·m
熱導率	15（推算） W·m−1·K−1
CAS號	7440-73-5
最穩定同位素

鍅（Francium，或譯作鍅）是一種化學元素，符號為Fr，原子序為87。鍅是電負性最低的元素之一。鈁是一種放射性極高的金屬，會衰變成砹、鐳和氡。和其他鹼金屬一樣，鈁有一顆價電子。

從來沒有人製成過可觀量鈁金屬，但根據元素週期表的規律，鈁的熔點比銫低，接近室溫，可能為液態。不過該元素的製備極為困難，其衰變發熱（最穩定同位素的半衰期只有22分鐘）會立即氣化所製成的鈁金屬。

1939年，法國科學家馬格利特·佩里發現了鍅元素。這是最後一次在自然界中發現元素，而非經過人工合成。^{[注 1]}鍅在實驗室以外極為罕見，痕量出現在鈾和釷礦石中，其中同位素鍅-223一直在形成和衰變中。地球地殼中只有20至30克的鍅會同時存在。除鍅-223和221以外，其他的同位素都是合成的。實驗室中產生的最大一批鍅元素共有300,000個鍅原子。^[1]

特性

鈁是所有自然元素中最不穩定的，其最穩定同位素鈁-223的半衰期也只有22分鐘。穩定性第二低的砹元素半衰期有8.5小時。^[2]所有鈁同位素都會衰變為砹、鐳或氡。^[2]鈁的穩定性比𨭎（原子序106）以下的所有人造元素都要低。^[3]

鈁是一種鹼金屬，化學屬性與銫相近，^[3]同樣只有一顆價電子。^[4]如果成功製成，液態鈁在熔點的表面張力將為0.05092 N/m。^[5]根據計算，鈁的熔點約為24 °C，沸點為677 °C。^[6]但由於鈁既罕有又具放射性，所以這些數字並不一定準確。

萊納斯·鮑林估計鈁的電負性為0.7，當時與銫相同。^[7]銫的電負性之後被修正為0.79，但因數據不足，不能同樣地修正鈁的電負性數字。^[8]鈁的電離能比銫稍高。^[9]

鈁會和多種銫鹽共同沉澱，如高氯酸鈁會和高氯酸銫共沉澱，從而分離出鈁。其他能共沉澱的銫鹽包括碘酸銫、苦味酸銫、酒石酸銫、氯鉑酸銫以及矽鎢酸銫。同樣可與鈁共沉澱的有矽鎢酸和高氯酸，而不需要任何鹼金屬載體。^[10]^[11]幾乎所有鈁鹽都可溶於水。^[12]

應用

鈁由於極為罕見、穩定性低，因此目前還沒有商業應用。^[13]^[14]^[15]^[16]它在生物學^[17]和原子結構等領域的研究中起到了作用。科學家曾提出用鈁來診斷各種癌症，^[2]但這一用途並不現實。^[14]

鈁可以被合成、捕捉和冷卻，而且原子結構簡單，因此它被用在一些光譜學實驗中，在能級和亞原子粒子間的耦合常數上提供了新的信息。^[18]對鈁-210離子在激光捕捉下所發出的光譜的研究指出，鈁的實際原子能級符合量子理論的預測。^[19]

歷史

1870年，化學家就開始猜想銫以下存在著一種尚未發現的鹼金屬，原子序為87。^[2]當時人們稱其為「eka-銫」。^[20]多個研究團隊嘗試發現並分離出這種新元素，在真正發現之前，至少出現了4次錯誤發現。

錯誤或不完整的發現

蘇聯化學家D. K.多布羅謝爾多夫（Dobroserdov）是第一位聲稱發現了鈁的科學家。1925年，他在一個鉀樣本中觀察到弱放射性，錯誤地認為這是87號元素所造成的。實際上放射性來自自然產生的鉀-40。^[21]他而後發佈了一篇有關預測87號元素的屬性的論文，當中將其以他的國家俄羅斯（Russia）命名為Russium。^[22]不久後，多布羅謝爾多夫開始專注於他在敖德薩理工學院的教學工作，而並沒有繼續研究這一元素。^[21] 翌年，英國化學家傑拉爾德·德魯斯（Gerald J. F. Druce）和費德里克·羅林（Frederick H. Loring）分析了硫酸錳的X-光片，^[22]以為觀察到的光譜線來自於87號元素。他們發佈了這項發現，把該元素命名為Alkalinium，因為它是最重的鹼金屬（alkali metal）。^[21]

1930年，美國阿拉巴馬州理工學院的弗雷德·艾利森（Fred Allison）在用磁光儀器研究銫榴石和鋰雲母後，聲稱發現了87號元素，並建議以他的家鄉佛吉尼亞州（Virginia）命名為Virginium，符號Vi或Vm。^[22]^[23]然而在1934年，伯克利加州大學的H. G.麥佛森（H. G. MacPherson）證明艾利森的儀器是無效的，並且推翻了他的發現。^[24]

1936年，羅馬尼亞物理學家霍里亞·胡盧貝伊（Horia Hulubei）與法國物理學家伊維特·哥舒瓦（Yvette Cauchois）也研究了銫榴石，使用的是高解析度X-光儀器。^[21]他們觀察到幾條弱發射光譜線，以為它們來自87號元素。胡盧貝伊和哥舒瓦發佈了這項發現，並以胡盧貝伊的誕生地羅馬尼亞摩爾達維亞省（Moldavia）命名為Moldavium，符號為Ml。^[22]1937年，美國物理學家F. H.赫士（F. H. Hirsh Jr.）對胡盧貝伊的研究手法進行了批判。赫士非常肯定87號元素不會在自然界中發現，並聲稱胡盧貝伊觀察到的其實是汞和鉍的X-射線光譜線。胡盧貝伊堅持自己的X-光儀器和實驗方法足夠準確，他的發現不可能是錯誤的。胡盧貝伊的導師，諾貝爾獎得主讓·佩蘭也支持他的發現。馬格利特·佩里在1939年確實發現鈁之後，一直都批評胡盧貝伊的研究，直到自己被承認為鈁的正式發現者為止。^[21]

佩里的發現

1939年，法國巴黎居里研究所的馬格利特·佩里在純化錒-227的時候，發現了鈁元素。錒-227的衰變能量應該是220 keV，但佩里卻觀察到衰變能量低於80 keV的粒子。她認為這些異常的衰變活動源自尚未發現的一種衰變產物。這種產物在純化過程中已經被分離出去，而是在純錒-227樣本中自然產生的。經過一系列測試之後，她消除了這種未知同位素是釷、鐳、鉛、鉍和鉈的可能性。該產物具有鹼金屬的屬性（比如可以和銫鹽共沉澱等），佩里因此判斷這就是錒-227經α衰變所產生的87號元素。^[20]

佩里把這一新同位素命名為錒-K（今天則稱鈁-223），^[20]又在1946年提出正式命名Catium，因為她相信這種元素正離子（cation）的電正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位導師伊雷娜·约里奥-居里反對這一命名，因為Catium一字更像是「貓元素」（cat），而非正離子。^[20]佩里繼而建議用法國（France）來命名為Francium，也就是鈁的現名。國際純粹與應用化學聯合會在1949年接納了這一名稱。^[2]鈁也成為了繼鎵之後第二個以法國命名的元素。鈁最初的符號為Fa，但不久後便改為Fr。^[25]鈁是1925年錸被發現後，最後一個在自然界中發現的元素。^[20]歐洲核子研究中心在1970年代至1980年代間進一步研究了鈁的結構。^[26]

存量

自然

錒-227經α衰變之後，會產生鈁-223，因此鈁以痕量存在於鈾和釷的礦石中。^[3]在一個鈾樣本中，估計每1×10¹⁸個鈾原子就有一個鈁原子。^[14]根據計算，地球的地殼中，同一時間只有約30克鈁。^[27]

合成

鈁可以通過以下核反應合成：

¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5 n

這一過程可以產生鈁-209、210和211，^[28]產物再由磁光阱分離出來。^[29]氧束的能量會影響同位素的形成速率。實驗所用的金目標體必須在接近熔點的溫度下，而且表面必須完全沒有雜質。核反應會把鈁原子嵌入目標體的深處，原子再迅速移動到表面，以離子的形式釋放出來。靜電透鏡把鈁離子引導至一個釔金屬片的表面，這時鈁離子會變回中性原子。激光束和磁場再對原子進行冷卻和控制。原子在磁光阱中只會停留20秒左右，之後逃脫或衰變，但新的原子會不斷替代這些失去了的原子。這一過程使原子數量在1分鐘之內大約不變。首次進行這項實驗時，科學家捕捉了1000個鈁原子。在不斷改進後，實驗最終能夠捕捉超過30萬個鈁原子。^[1]捕獲到的鈁原子處於鬆散氣體狀態，當數量足夠多的時候，鈁發出的螢光就可以在攝影機上留下影像。影像呈球體，直徑約為1毫米。這是鈁首次被人類直接看到。研究人員這時就可以準確地測量鈁所釋放及吸收的亮光，從而給出原子能級躍遷的實驗數據。初步結果表明，實驗數據與量子理論所預測的相吻合。

鈁的其他合成方法有，用中子撞擊鐳，或以質子、氘原子核或氦離子撞擊釷。^[30]

同位素

主条目：鈁的同位素

鈁共有34個同位素，原子量從199到232不等，^[3]另有7種亞穩態同核異構體。^[3]自然產生的只有鈁-223和鈁-221，其中鈁-221罕見得多。^[31]

鈁-223是最穩定的同位素，半衰期為21.8分鐘。^[3]再發現或合成半衰期更長的鈁同位素的可能性極低。^[30]鈁-223是錒衰變系的第五個產物，是錒-227的子同位素。^[16]鈁-223會再β衰變為鐳-223（衰變能量為1149 keV），另有0.006%的α衰變路徑，產物為砹-219（衰變能量為5.4 MeV）。^[32]

鈁-221的半衰期為4.8分鐘。^[3]它是錼衰變系的第九個產物，是錒-225的子同位素。^[16]鈁-221會再α衰變成砹-217（衰變能量為6.457 MeV）。^[3]

基態最不穩定的同位素是鈁-215，半衰期只有0.12 μs。它會α衰變為砹-211，能量為9.54 MeV。^[3]其亞穩態同核異構體鈁-215m的穩定性則更低，半衰期只有3.5 ns。^[33]

備註

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外部連結

Francium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
WebElements.com – Francium
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備註

參考資料

外部連結

Periodic Table Of Elements