钫

鍅（Francium）是一種化學元素，化學符號為Fr，原子序為87，曾被稱為 eka-caesium。鍅是一種放射性極高的金屬。它最穩定的同位素，鍅-223（在它出現於自然衰變鏈之前原本被稱為actinium K）的半衰期僅22分鐘。鍅的電負度僅高於銫，在天然元素中的含量僅高於砈。鍅的同位素會快速衰變成砈、鐳和氡。鍅的電子組態為[Rn] 7s1，因此該元素被歸類為鹼金屬。

钫   87Fr
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
 銫
↑
钫
↓
Uue
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
钫的电子層（2, 8, 18, 32, 18, 8, 1）
歷史
發現馬格利特·佩賴（1939年）
分離馬格利特·佩賴（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? 297 K，? 24 °C，? 75 °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
蒸氣壓（（推算））
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 404 454 519 608 738 946
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
主条目：钫的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量（MeV） 產物
221Fr 痕量 4.8 分鐘 α 6.457 217At
222Fr 人造 14.2 分鐘 β− 2.033 222Ra
223Fr 痕量 22.00 分鐘 β– 1.149 223Ra
α 5.430 219At

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(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，其衰變放出的熱會立即使鍅氣化成蒸氣。

1939年[1]，法國科學家馬格利特‧佩賴在法國(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，而非經過人工合成的元素。[註 1]鍅在實驗室以外極為罕見，它會痕量出現在鈾和釷礦石中，而在其中的同位素鍅-223則會不斷地形成與衰變。地殼中只有約20至30克的鍅存在。除了鍅-223和221以外，其他同位素都是在實驗室中製得。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。[2]

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。[3]所有鈁同位素都會衰變為砹、鐳或氡。[3]鈁的穩定性比原子序106（𨭎）以下的所有人造元素都要低。[4]

鈁是一種鹼金屬，化學屬性與銫相近，[4]同樣只有一顆價電子。[5]如果成功製成，液態鈁在熔點的表面張力將為0.05092 N/m。[6]根據計算，鈁的熔點約為24 °C，沸點為677 °C。[7]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。[8]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。[9]鈁的電離能比銫稍高。[10]

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。[11][12]幾乎所有鈁鹽都可溶於水。[13]

應用

鈁由於極為罕見、穩定性低，因此目前還沒有商業應用。[14][15][16][17]它在生物學[18]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，[3]但這一用途並不現實。[15]

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。[19]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。[20]

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。[3]當時人們稱其為「eka-銫」。[21]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。[22]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。[23]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。[22] 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，[23]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）。[22]

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。[23][24]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。[25]

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。[22]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。[23]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。[22]

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。[21]

佩里把這一新同位素命名為錒-K（今天則稱鈁-223），[21]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。[21]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。[3]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。[26]鈁是1925年錸被發現後，最後一個在自然界中發現的元素。[21]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。[27]

存量
這一塊瀝青鈾礦在同一時間含有大約10萬顆鈁-223原子（3.3×10-20 g）。[15]

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。[4]在一個鈾樣本中，估計每1×1018個鈾原子就有一個鈁原子。[15]根據計算，地球的地殼中，同一時間只有約30克鈁。[28]

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，[29]產物再由磁光阱分離出來。[30]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。[2]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。[31]

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，[32]另有7種亞穩態同核異構體。[32]自然產生的只有鈁-223和鈁-221，其中鈁-221罕見得多。[33]

鈁-223是最穩定的同位素，半衰期為21.8分鐘。[32]再發現或合成半衰期更長的鈁同位素的可能性極低。[31]鈁-223是錒衰變系的第五個產物，是錒-227的子同位素。[17]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）。[34]

鈁-221的半衰期為4.8分鐘。[32]它是錼衰變系的第九個產物，是錒-225的子同位素。[17]鈁-221會再α衰變成砹-217（衰變能量為6.457 MeV）。[32]

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。[32]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。[35]

備註
  1. Some synthetic elements, like technetium and plutonium, have later been found in nature.

參考資料
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外部連結
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