钫

title: 特性.
content: 钫是所有自然元素中最不稳定的,其最稳定同位素钫-223的半衰期也只有22分钟。稳定性第二低的砹元素半衰期有8.5小时。所有钫同位素都会衰变为砹、镭或氡。钫的稳定性比原子序106(𬭳)以下的所有人造元素都要低。  钫是一种碱金属,化学属性与铯相近,同样只有一颗价电子。如果成功制成,液态钫在熔点的表面张力将为0.05092 N/m。根据计算,钫的熔点约为24 °C,沸点为677 °C。但由于钫既罕有又具放射性,所以这些数字并不一定准确。  莱纳斯·鲍林估计钫的电负性为0.7,当时与铯相同。铯的电负性之后被修正为0.79,但因子据不足,不能同样地修正钫的电负性数字。钫的电离能比铯稍高。  钫会和多种铯盐共同沉淀,如高氯酸钫会和高氯酸铯共沉淀,从而分离出钫。其他能共沉淀的铯盐包括碘酸铯、苦味酸铯、酒石酸铯、氯铂酸铯以及硅钨酸铯。同样可与钫共沉淀的有硅钨酸和高氯酸,而不需要任何碱金属载体。几乎所有钫盐都可溶于水。
title: 应用.
content: 钫由于极为罕见、稳定性低,因此目前还没有商业应用。它在生物学和原子结构等领域的研究中起到了作用。科学家曾提出用钫来诊断各种癌症,但这一用途并不现实。  钫可以被合成、捕捉和冷却,而且原子结构简单,因此它被用在一些光谱学实验中,在能级和亚原子粒子间的耦合常数上提供了新的信息。对钫-210离子在激光捕捉下所发出的光谱的研究指出,钫的实际原子能级符合量子理论的预测。
title: 历史.
content: 1870年,化学家就开始猜想铯以下存在着一种尚未发现的碱金属,原子序为87。当时人们称其为「eka-铯」。多个研究团队尝试发现并分离出这种新元素,在真正发现之前,至少出现了4次错误发现。
title: 错误或不完整的发现.
content: 苏联化学家D. K.多布罗谢尔多夫(Dobroserdov)是第一位声称发现了钫的科学家。1925年,他在一个钾样本中观察到弱放射性,错误地认为这是87号元素所造成的。实际上放射性来自自然产生的钾-40。他而后发布了一篇有关预测87号元素的属性的论文,当中将其以他的国家俄罗斯(Russia)命名为Russium。不久后,多布罗谢尔多夫开始专注于他在敖德萨理工学院的教学工作,而并没有继续研究这一元素。 翌年,英国化学家杰拉尔德·德鲁斯(Gerald J. F. Druce)和费德里克·罗林(Frederick H. Loring)分析了硫酸锰的X-光片,以为观察到的光谱线来自于87号元素。他们发布了这项发现,把该元素命名为Alkalinium,因为它是最重的碱金属(alkali metal)。  1930年,美国阿拉巴马州理工学院的弗雷德·艾利森(Fred Allison)在用磁光仪器研究铯榴石和锂云母后,声称发现了87号元素,并建议以他的家乡佛吉尼亚州(Virginia)命名为Virginium,符号Vi或Vm。然而在1934年,伯克利加州大学的H. G.麦佛森(H. G. MacPherson)证明艾利森的仪器是无效的,并且推翻了他的发现。  1936年,罗马尼亚物理学家霍里亚·胡卢贝伊(Horia Hulubei)与法国物理学家伊维特·哥舒瓦(Yvette Cauchois)也研究了铯榴石,使用的是高分辨率X-光仪器。他们观察到几条弱发射光谱线,以为它们来自87号元素。胡卢贝伊和哥舒瓦发布了这项发现,并以胡卢贝伊的诞生地罗马尼亚摩尔达维亚省(Moldavia)命名为Moldavium,符号为Ml。1937年,美国物理学家F. H.赫士(F. H. Hirsh Jr.)对胡卢贝伊的研究手法进行了批判。赫士非常肯定87号元素不会在自然界中发现,并声称胡卢贝伊观察到的其实是汞和铋的X-射线光谱线。胡卢贝伊坚持自己的X-光仪器和实验方法足够准确,他的发现不可能是错误的。胡卢贝伊的导师,诺贝尔奖得主让·佩兰也支持他的发现。马格利特·佩里在1939年确实发现钫之后,一直都批评胡卢贝伊的研究,直到自己被承认为钫的正式发现者为止。
title: 佩里的发现.
content: 1939年,法国巴黎居里研究所的马格利特·佩里在纯化锕-227的时候,发现了钫元素。锕-227的衰变能量应该是220 keV,但佩里却观察到衰变能量低于80 keV的粒子。她认为这些异常的衰变活动源自尚未发现的一种衰变产物。这种产物在纯化过程中已经被分离出去,而是在纯锕-227样本中自然产生的。经过一系列测试之后,她消除了这种未知同位素是钍、镭、铅、铋和铊的可能性。该产物具有碱金属的属性(比如可以和铯盐共沉淀等),佩里因此判断这就是锕-227经α衰变所产生的87号元素。  佩里把这一新同位素命名为锕-K(今天则称钫-223),又在1946年提出正式命名Catium,因为她相信这种元素正离子(cation)的电正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位导师伊雷娜·约里奥-居里反对这一命名,因为Catium一字更像是「猫元素」(cat),而非正离子。佩里继而建议用法国(France)来命名为Francium,也就是钫的现名。国际纯粹与应用化学联合会在1949年接纳了这一名称。钫也成为了继镓之后第二个以法国命名的元素。钫最初的符号为Fa,但不久后便改为Fr。钫是1925年铼被发现后,最后一个在自然界中发现的元素。欧洲核子研究中心在1970年代至1980年代间进一步研究了钫的结构。
title: 存量.
title: 自然.
content: 锕-227经α衰变之后,会产生钫-223,因此钫以痕量存在于铀和钍的矿石中。在一个铀样本中,估计每1个铀原子就有一个钫原子。根据计算,地球的地壳中,同一时间只有约30克钫。
title: 合成.
content: 钫可以通过以下核反应合成:  这一过程可以产生钫-209、210和211,产物再由磁光阱分离出来。氧束的能量会影响同位素的形成速率。实验所用的金目标体必须在接近熔点的温度下,而且表面必须完全没有杂质。核反应会把钫原子嵌入目标体的深处,原子再迅速移动到表面,以离子的形式释放出来。静电透镜把钫离子引导至一个钇金属片的表面,这时钫离子会变回中性原子。激光束和磁场再对原子进行冷却和控制。原子在磁光阱中只会停留20秒左右,之后逃脱或衰变,但新的原子会不断替代这些失去了的原子。这一过程使原子数量在1分钟之内大约不变。首次进行这项实验时,科学家捕捉了1000个钫原子。在不断改进后,实验最终能够捕捉超过30万个钫原子。捕获到的钫原子处于松散气体状态,当数量足够多的时候,钫发出的萤光就可以在摄影机上留下影像。影像呈球体,直径约为1毫米。这是钫首次被人类直接看到。研究人员这时就可以准确地测量钫所释放及吸收的亮光,从而给出原子能级跃迁的实验数据。初步结果表明,实验数据与量子理论所预测的相吻合。  钫的其他合成方法有,用中子撞击镭,或以质子、氘原子核或氦离子撞击钍。
title: 同位素.
content: 钫共有34个同位素,原子量从199到232不等,另有7种亚稳态同核异构体。自然产生的只有钫-223和钫-221,其中钫-221罕见得多。  钫-223是最稳定的同位素,半衰期为21.8分钟。再发现或合成半衰期更长的钫同位素的可能性极低。钫-223是锕衰变系的第五个产物,是锕-227的子同位素。钫-223会再β衰变为镭-223(衰变能量为1149 keV),另有0.006%的α衰变路径,产物为砹-219(衰变能量为5.4 MeV)。  钫-221的半衰期为4.8分钟。它是镎衰变系的第九个产物,是锕-225的子同位素。钫-221会再α衰变成砹-217(衰变能量为6.457 MeV)。  基态最不稳定的同位素是钫-215,半衰期只有0.12 μs。它会α衰变为砹-211,能量为9.54 MeV。其亚稳态同核异构体钫-215m的稳定性则更低,半衰期只有3.5 ns。

Summary: 钫(Francium)是一种化学元素,化学符号为Fr,原子序为87,曾被称为 eka-caesium。钫是一种放射性极高的金属。它最稳定的同位素,钫-223(在它出现于自然衰变链之前原本被称为actinium K)的半衰期仅22分钟。钫的电负度仅高于铯,在天然元素中的含量仅高于砈。钫的同位素会快速衰变成砈、镭和氡。钫的电子组态为[Rn] 7s,因此该元素被归类为碱金属。

Francium: Francium is a chemical element with the symbol Fr and atomic number 87. Prior to its discovery, it was referred to as eka-caesium. It is extremely radioactive; its most stable isotope, francium-223 (originally called actinium K after the natural decay chain it appears in), has a half-life of only 22 minutes. It is the second-most electropositive element, behind only caesium, and is the second rarest naturally occurring element (after astatine). The isotopes of francium decay quickly into astatine, radium, and radon. The electronic structure of a francium atom is [Rn] 7s, and so the element is classed as an alkali metal.