Frankium

Frankium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Fr (), järjestysluku on 87 ja CAS-numero 7440-73-5. Frankium on hyvin radioaktiivinen alkalimetalli, jota löytyy uraani- ja toriummalmeista. Sulamispiste on 300 K (27 °C) ja kiehumispiste 950 K. Frankium on maankuoren toiseksi harvinaisin alkuaine, astatiinin jälkeen. Se on viimeisin alkuaine, jota on löytynyt ensin luonnosta. Sen jälkeen uudet alkuaineet on ensin valmistettu laboratorioissa.

Frankium on saanut nimensä Ranskan (France) mukaan, ja sen löysi vuonna 1939 Marguerite Perey Curie-instituutissa Pariisissa. Frankium on raskain alkalimetalleista. Sitä esiintyy uraanimalmeissa, joissa sitä syntyy aktiniumin alfa­hajoamisen tuloksena. On arvioitu että sitä on noin 550 grammaa koko maankuoressa.

Keinotekoisesti frankiumia voidaan valmistaa pommittamalla syklotronissa toriumia protoneilla tai ydinreaktorissa radiumia neutroneilla. Sitä on kuitenkin valmistettu vain aivan pieniä määriä tutkimus­tarkoituksiin.

Frankiumista tunnetaan 33 isotooppia, joista ainoa luonnosta löytyvä 223Fr on pitkäikäisin 22 minuutin puoliintumisajalla. Useimpien muiden isotooppien puoliintumis­aika on alle minuutin.

Frankiumin kemiallisia ominaisuuksia tunnetaan kohtalaisen vähän, koska se on erittäin harvinainen alkuaine. Frankiumia on tutkittu radiokemiallisilla menetelmillä ja on selvinnyt, että sen stabiilein tila on ionimuodossa Fr+. Frankium on kaikista tunnetuista alkuaineista vähiten elektronegatiivinen, minkä takia sen pitäisi olla kaikista alkalimetalleista kemiallisesti aktiivisin. Kemiallisilta ominaisuuksiltaan frankium muistuttaa muita alkali­metalleja, eniten cesiumia, joka on luonnosta löytyvistä alkalimetalleista frankiumin jälkeen toiseksi raskain ja sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä heti frankiumin yläpuolella.

Esiintyminen luonnossa 
Frankiumia löydetään luonnosta ainoastaan uraani- ja toriummalmeista, joihin sitä muodostuu aktiniumin alfahajoamisessa:

227Ac → 223Fr + 4He 
 
Syntyvä 223Fr on pitkäikäisin isotooppi; sen puoliintumisaika on 22 minuuttia. Joidenkin lähteiden mukaan frankiumia on arvioitu olevan maankuoressa ainoastaan 20–30 grammaa.

Valmistus syntetisoimalla 
Tunnettuja frankiumin syntetisointimenetelmiä ovat radiumin pommitus neutroneilla sekä toriumin pommitus protoneilla. Frankiumia on mahdollista valmistaa myös kullan ja hapen fuusiolla. Frankiumia muodostuu fuusioreaktiossa, kun hapen 18O-isotooppi törmäytetään lineaarisen hiukkaskiihdyttimen avulla kultaan:

197Au + 18O → 215Fr

Fuusioreaktiosta vapautuva energia purkautuu neutroneina, minkä seurauksena muodostuu 208Fr, 209Fr, 210Fr sekä 211Fr-isotooppeja. Säätämällä törmäävien happi-ionien energiaa voidaan vaikuttaa siihen, mitä frankiumin isotooppeja reaktiossa syntyy.

Syntyneet frankiumin isotoopit ionisoituvat kullan pinnalla, josta ne ohjataan sähkökentän avulla vakuumissa olevaan magneto-optiseen loukkuun neutraloimalla ne ensin kuumennetun yttriumin avulla. Tällä menetelmällä on pystytty keräämään enimmillään noin 300 000 frankiumatomia. Loukkuun jääneiden frankiumatomien fluoresenssin avulla on ensimmäistä kertaa päästy kokeellisesti tutkimaan frankiumin energiatasojen välisiä siirtymiä. Atomit viipyvät loukussa noin puoli minuuttia, minkä jälkeen ne hajoavat radioaktiivisesti.

Frankiumin käyttö 
Frankiumia on käytetty rajoitetusti biologisissa kokeissa. Tutkimuksessa, jossa alkalimetallien (frankiumin, rubidiumin ja cesiumin) jakautumista rottien eri elimiin tutkittiin, kävi ilmi alkalimetallien kertyminen pääasiassa munuaisiin, maksaan ja sylkirauhaisiin. 
Frankiumin huomattiin kerääntyvän myös keinotekoisesti aiheutettuun sarkoomaan; frankium konsentroituu syöpäkudokseen vasta, kun syövän kasvu alkaa. Tällainen menetelmä syöpäsairauksien diagnosoinnissa voisi olla lupaava, koska frankiumin isotoopeilla 223Fr tai 212Fr on lyhyt puoliintumisaika, eikä se siten aiheuta juuri ollenkaan kudosvaurioita.

Lyhyestä puoliintumisajastaan huolimatta frankiumia voidaan käytännössä käyttää aktiniumin tunnistamiseen näytteestä. Alkuperäisen näytteen eristetystä aktiniumista erotetaan kolmen tunnin kuluttua frankium, jonka β-aktiivisuus 223Fr-isotoopille mitataan. Menetelmä mahdollistaa aktiniumin tunnistamisen näytteestä riittävällä tarkkuudella, kun läsnä on muita radioaktiivisia alkuaineita.

Frankiumin yksinkertaisen atomirakenteen ja suuren atomimassan vuoksi se on hyödyllinen tutkittaessa luonnon perusteorioita. Yksinkertaisen rakenteen vuoksi elektronien väliset vuorovaikutukset ovat muita alkuaineita pienemmät, mikä mahdollistaa sen, että frankiumille voidaan laskea erittäin tarkasti elektroniset aaltofunktiot.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Periodictable: Technical data for Francium 
 Mindat: The Mineralogy of Francium 
 

Alkuaineet