第87號元素

**鍅**（英語：**Francium**；中國大陸譯為**钫**、港澳譯為**鈁**【拼音：fānɡ，注音：ㄈㄤ】，台灣譯為**鍅**【拼音：fǎ，注音：ㄈㄚˇ】），是一種化學元素，其化學符號為 **Fr**，原子序數為 87。鍅是一種放射性極高的金屬，半衰期很短，是前 105 種化學元素中穩定性最低的，比許多超鈾元素都要不穩定，其同位素會快速衰變成砈、鐳或氡。它最長壽的同位素－－鍅 - 223 的半衰期僅 22 分鐘。鍅的電負度是所有元素第二低的，僅次於其上方的銫。鍅的電子組態為 [Rn] 7s1，因此該元素被歸類為鹼金屬。

塊體的鍅金屬從未被觀察到。根據元素週期表的同族元素特性規律，當足量的鍅聚集在一起形成一塊固體或液體時（因鍅熔點低，室溫時可能為液態），它會是高活性金屬，然而獲取如此高活性的鍅是幾乎不可能的，因為鍅的半衰期短，放射性強，其衰變放出的熱會立即使鍅汽化成蒸氣。

1939 年，法國物理學家瑪格麗特・佩里在法國（鍅的名字由此而來）從 227Ac 的衰變產物中發現了鍅元素。鍅是最後一個從自然界中發現，而非經由人工合成發現的元素。鍅在實驗室以外極為罕見，它會痕量出現在鈾和釷礦石中，不斷地形成與衰變，地殼中只有約 20 至 30 克的鍅同時存在，在天然元素中的含量僅高於砈。除了鍅 - 223 和 221 以外，其他同位素都是在實驗室中人工製得。在實驗室中產生最大量的鍅元素為超過 300,000 個鍅原子的團簇。

## 特性

鍅是最不穩定的天然元素之一，其最穩定同位素鍅 - 223 的半衰期也只有 22 分鐘。唯一不穩定性可以和鍅比較的天然元素是砈，雖然人造的砈 - 210 有較長的半衰期（8.1 小時），但在天然中存在的最穩定砈同位素砈 - 219（鍅 - 223 的 α 衰變產物）的半衰期只有 56 秒。所有鍅同位素都會衰變為砈、鐳或氡。鍅的穩定性甚至比原子序 106（𨭎）以下的所有人工合成元素都要低。

鍅是一種鹼金屬，化學屬性與銫相近，同樣只有一顆價電子。它在所有元素中有最高的等效質量。如果成功製成，液態鍅在熔點下的表面張力將為 0.05092 N/m。鍅的熔點預測在 8.0 °C（46.4 °F）左右，也有數據稱是 27 °C（81 °F），但由於鍅既罕有又具放射性，所以這些數字並不一定準確。基於門德列夫的方法給出了 20 ± 1.5 °C（68.0 ± 2.7 °F）的值。鍅的預測沸點 620 °C（1,148 °F）也是不確定的，598 °C（1,108 °F）、677 °C（1,251 °F）還有門德列夫方法外推出來的 640 °C（1,184 °F）也都是有人建議的預測值。鍅的密度預測在 2.48
 g/cm3 左右（門德列夫的方法計算出的值為 2.4 g/cm3）。

萊納斯・鮑林估計鍅的電負度為 0.7，當時與銫相同。銫的電負度之後被修正為 0.79，但因數據不足，不能同樣地修正鍅的電負度數字。正如相對論效應所預測的那樣，鍅的游離能（392.811 (4) kJ/mol）比銫（375.7041 (2) kJ/mol）稍高，這意味著銫是兩者中電負度較小的。鍅的電子親和能應該也比銫高，Fr−離子也會比 Cs−離子更易極化。不像其它已知的異核雙原子分子，CsFr 分子的負電荷預計在鍅的部分。超氧化鍅（FrO2）比較輕的鹼金屬超氧化物有更顯著的共價性，這歸因於鍅中的 6p 電子更多地參與到鍅 - 氧鍵合。

鍅會和多種銫鹽共沉澱，如過氯酸鍅會和過氯酸銫共沉澱，從而分離出鍅。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。同樣可與鍅共沉澱的有矽鎢酸和過氯酸，而不需要任何鹼金屬載體。幾乎所有鍅鹽都可溶於水。

## 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。當時人們稱其為「eka-caesium」（銫下元素）。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鍅的科學家。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。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。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。

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，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）。

1930 年，美國阿拉巴馬州理工學院的弗雷德・艾利森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。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。

1936 年，羅馬尼亞物理學家霍里亞・胡盧貝伊與法國物理學家伊維特・哥舒瓦也研究了銫榴石，使用的是高解析度 X - 光儀器。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莫耳達維亞省（Moldavia）命名為 Moldavium，符號為 Ml。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 年確實發現鍅之後，一直都批評胡盧貝伊的研究，直到自己被承認為鍅的正式發現者為止。

### 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 的時候發現了鍅元素。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，所以是在純錒 - 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。佩里隨後試圖確定錒 - 227 中 β 衰變與 α 衰變的比例。她的第一次測試將發生 α 衰變的概率設為 0.6%，後來她將這個數字修改為 1%。

佩里把這一新同位素命名為錒 - K（今天則稱鍅 - 223），又在 1946 年提出正式命名 Catium（化學符號 Cm），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・約里奧 - 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。此外，這個命名的化學符號和分配給鋦的化學符號一樣。佩里繼而建議用法國（France）來命名為 Francium，也就是鍅的現名。國際純粹與應用化學聯合會在 1949 年接納了這一名稱，鍅也成為了繼鎵之後第二個以法國命名的元素。鍅最初的符號為 Fa，但不久後便改為 Fr。鍅是 1925 年錸被發現後，最後一個在自然界中發現的元素。歐洲核子研究中心在 1970 年代至 1980 年代間進一步研究了鍅的結構。

## 同位素

鍅共有 34 個同位素，質量數從 199 到 232 不等，另有 7 種亞穩態同核異構物。所有鍅同位素都具有極高的放射性，半衰期很短，非常不穩定。只有鍅 - 223 和鍅 - 221 存在於自然界中，其中鍅 - 221 罕見得多。

鍅 - 223 是最長壽的鍅同位素，半衰期為 21.8 分鐘。再發現或合成半衰期更長的鍅同位素的可能性極低。鍅 - 223 是錒衰變系的第五個產物，是錒 - 227 的子同位素，錒 - 227 只有 1.38% 的概率會 α 衰變成鍅 - 223。鍅 - 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，產物為砈 - 219（衰變能量為 5.4 MeV）。鍅 - 223 在出現於自然衰變鏈之前原本被稱為 **actinium K**。

鍅 - 221 的半衰期為 4.8 分鐘。它是錼衰變系的第九個產物，是錒 - 225 的子同位素。鍅 - 221 會再 α 衰變成砈 - 217（衰變能量為 6.457 MeV）。錼衰變系從錼 - 237 開始，一直到砈 - 217 都只有唯一的衰變途徑，因此鍅 - 221 是唯一位在主要衰變途徑中的鍅同位素，惟自然界中的錼衰變系早已衰變殆盡，現時地殼中的錼衰變系初始同位素錼 - 237 主要由鈾 - 238 發生核散裂而痕量生成。

基態最不穩定的同位素是鍅 - 215，半衰期只有 0.12 μs。它會 α 衰變為砈 - 211，能量為 9.54 MeV。其亞穩態同核異構物鍅 - 215m 的穩定性則更低，半衰期只有 3.5 ns。

## 存量

自然界中的錒 - 227 有 1.38% 的概率經 α 衰變產生鍅 - 223，而鍅 - 223 的半衰期僅 22 分鐘，因此鍅只以痕量存在於鈾和釷的礦石中。在一個鈾樣本中，估計每 1×1018 個鈾原子就有一個鍅原子。根據計算，地球的地殼中，同一時間只有約 30 克鍅。

## 合成

鍅可以通過金 - 197 目標在直線加速器里被氧 - 18 束轟擊而成。這個過程最初於 1995 年由石溪大學物理系開發。視氧束的能量，這一過程可以產生鍅 - 209、210 和 211。

　
: 197Au + 18O → 209Fr + 6 n

　
: 197Au + 18O → 210Fr + 5 n

　
: 197Au + 18O → 211Fr + 4 n

核反應產生的鍅會以離子形式離開金目標，靜電透鏡再把鍅離子引導至一個釔金屬片的表面，使鍅離子變回中性原子，鬆散氣體狀態的中性鍅原子再由磁光阱分離出來。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。這使得這些鍅原子處於穩態，在長時間內包含相當恆定數量的原子。首次進行這項實驗時，科學家捕捉了幾千個鍅原子；在不斷改進後，實驗最終能夠捕捉超過 30 萬個鍅原子。對捕獲的原子發射和吸收的光的測量提供了關於鍅原子能階之間各種躍遷的第一個實驗結果。初始測量顯示實驗值和基於量子理論的計算之間非常吻合。2012 年的鍅研究項目 TRIUMF 通過這種方法產生了超過 106 個鍅原子，其中有大量的 209Fr 還有少量的 207Fr 和 221Fr。

鍅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。

223Fr 可以從其母同位素 227Ac 分離。通過 NH4Cl–CrO3 陽離子交換劑，可以從含錒物質中得到鍅，這些鍅可以通過其溶液通過含有硫酸鋇載體的二氧化矽純化。

1996 年，石溪大學小組在他們的磁光阱中捕獲了 3000 個鍅原子，這足以讓攝像機捕捉原子發出的螢光。鍅的合成量還不足以稱重。

## 應用

鍅由於極為罕見、穩定性低，因此目前還沒有商業應用。它在化學和原子結構等領域的研究中起到了作用。科學家曾提出用鍅來診斷各種癌症，但這一用途並不現實。

鍅可以被合成、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。對鍅 - 210 離子在雷射捕捉下所發出的光譜的研究指出，鍅的實際原子能級符合量子理論的預測。

## 備註

## 參考資料

## 外部連結

* 元素鍅在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鍅（英文）
* 元素鍅在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鍅在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鍅（英文）
* Francium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at _The Periodic Table of Videos_ (University of Nottingham)
* WebElements.com – Francium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Stony Brook University Physics Dept.