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。