Histoire du francium

Depuis les années 1870, la communauté des chimistes prévoyait l’existence d’un métal alcalin de numéro atomique 87, qui devait logiquement se trouver sous le césium, dans la classification périodique. À cette époque, on l’a provisoirement désigné sous le nom d’eka-césium. Les équipes de chercheurs ont tenté de déceler cet élément manquant avant de l’isoler. Au moins quatre déclarations prématurées sur sa découverte furent publiées avant qu’il ne soit réellement identifié.

Découvertes incomplètes ou erronées

En 1925, le chimiste russe D.K. Dobroserdov fut le premier à annoncer la présumée découverte de l’eka-césium, après avoir détecté des traces de radioactivité dans un échantillon de potassium. Il en conclut que l’échantillon avait été contaminé par l’eka-césium. Il publia alors une thèse exposant les possibles propriétés de cet élément, qu’il nomma russium,en référence à son pays d’origine. Cependant, il a abandonné ses recherches pour se concentrer sur sa carrière d’enseignant à l’Institut polytechnique d’Odessa.

L’année suivante, les chimistes anglais Frederick H.Loring et Gérald J.F. Druce étudièrent des clichés de rayons-X du sulfate de manganèse et, ils observèrent des raies spectrales qu’ils ont attribuées à l’eka-césium. Ces chimistes annoncèrent alors leur découverte de l’élément 87. Ils proposèrent le nom alkalinium, considérant qu’il serait le métal alcalin le plus lourd.

En 1930, le professeur Fred Allison, de l’Institut polytechnique de l’Alabama, déclara avoir découvert le francium en étudiant l’effet magnéto-optique sur des échantillons de lépidolite et de pollucite. Il avança le nom de virginium, du nom de son État natal et suggéra les symboles Vi et Vm.

En 1934, MacPherson, professeur à l’université de Californie à Berkeley, réfuta cette découverte en démontrant des erreurs dues à des problèmes d’appareillage.

En 1936, Horia Hulubei, physicien roumain, et sa collègue française Yvette Cauchois firent une étude approfondie de la pollucite, à l’aide d’un appareil de spectroscopie de rayons-X de haute résolution. Leurs observations révélèrent plusieurs rayons d’émission de faible intensité qu’ils identifièrent comme appartenant à l’élément 87. Ils publièrent leurs résultats et proposèrent de nommer cet élément moldavium, avec comme symbole Ml, en référence à la Moldavie, province natale de Hulubei.

En 1937, le physicien américain F.H.Hirsh Jr remit en question les travaux de Hulubei et rejeta ses méthodes. Selon Hirsh, l’eka-césium n’existait pas dans la nature et que les raies spectrales énoncées par Hulubei étaient en réalité celles du mercure ou du bismuth. Cependant, ce dernier  contesta ces critiques. Il affirma que ses équipements et ses méthodes étaient précis et qu’une telle confusion était impossible. Malgré cela, Jean Baptiste Perrin, le mentor de Hulubei et lauréat du prix Nobel de physique, soutint que le moldavium est le véritable eka-césium et l’attesta. Il a ignoré la découverte du francium par Marguerite Perey. Jusqu’à ce que la découverte de l’élément 87 lui soit attribuée, Perey n’a cessé de contester les travaux de Hulubei.

Les travaux de Perey

Le véritable eka-cesium francium fut découvert par Marguerite Perey en 1939, à l’Institut Curie de Paris, pendant qu’elle menait des travaux de purification sur un échantillon d’actinium 227. Cet élément possède une énergie de désintégration de 220 keV. Elle observa que des particules étaient émises avec une énergie inférieure à 80 keV et suspecta l’existence d’un produit de désagrégation inconnu. Elle le considéra comme étant la cause de cette décroissance radioactive. Ce produit disparaîtrait durant la purification et réapparaîtrait lors de la désintégration de noyaux d’actinium. Ses tests ont exclu la présence de thorium, de radium, de plomb, de bismuth et de thallium. Les propriétés chimiques du nouveau produit se révélèrent similaires à celles d’un métal alcalin, notamment sa coprécipitation avec des sels de césium. Cette découverte a conduit Perey à conclure qu’il s’agissait de l’élément 87, résultat de la désintégration α de l’actinium 227. Elle entreprit alors des analyses pour déterminer la proportion de désintégration α et β du ²²⁷Ac. Ses premiers tests lui permirent d’évaluer le taux de désintégration alpha à 0,6 %, qu’elle révisa à 1 %. Perey nomma le nouvel isotope actinium-K, qui était l’actuel francium 223.

En 1946, elle proposa de nommer le nouvel élément catium, car elle savait que cet élément est le plus électropositif de la classification périodique. Cependant, Irène Joliot-Curie, sa supérieure s’y opposa, en raison de sa similarité avec le mot « cat » en anglais, signifiant chat. Alors, en hommage au pays de sa découverte, Perey proposa l’appellation francium.

En 1949, l’Union internationale des chimistes adopta officiellement le nom de francium et le symbole Fa, changé par la suite en Fr. Après la découverte du rhénium en 1925, le francium fut le dernier élément existant à être révélé. Des recherches sur cette substance furent conduites depuis ce temps, notamment celles de Sylvain Lieberman et de son équipe au CERN dans les années 1970 et 1980.

Isotopes

Le francium 223, ayant une demi-vie inférieure à 22 minutes, est le radioisotope du francium le plus stable. Tous ses isotopes se dissocient en formant de l’astate, du radon ou du radium.

Tableau représentant les isotopes les plus stables

Ce tableau fournit des informations sur les propriétés radioactives de différents isotopes du francium.

Les isotopes sont présentés dans la première colonne, avec leur symbole chimique et leur numéro de masse.

La colonne de l’abondance naturelle renferme les durées de demi-vie et les informations sur la présence de traces d’isotopes.

La période représente le temps qu’il faut à un isotope pour se désintégrer de moitié (demi-vie), en émettant des particules radioactives.

Les modes de désintégration sont présentés dans la troisième colonne. Une désintégration bêta implique l’émission d’un électron ou d’un positron, tandis qu’une désintégration alpha implique la production d’un noyau d’hélium.

Les produits de désintégration sont les isotopes que l’on obtient après la désintégration de l’isotope initial.

Exemple

L’isotope le plus stable ²²³Fr a une demi-vie de 22 minutes, avant de se transformer en astate par rayonnement alpha, ou en radium par désintégration bêta. Cette double radioactivité rend l’astate encore plus rare que le Fr, bien que  le ²¹⁰At ait une demi-vie supérieure (8,1 heures) à celle du francium 223. Toutefois, le thorium et l’uranium produisent aussi de l’At. Par conséquent, sa rareté n’a que peu de relation avec celle de l’élément 87.

Explications

La désintégration alpha moins décompose le francium en radium 223, dans sa presque totalité (99,994 %). Par le même processus, le reste 0,006 % produit du ²¹⁹At. Ce dernier, de période 56 secondes, contribue faiblement à l’astate total majoritairement composé de ²¹⁰At de période 8,1h.

Par désintégration alpha, le ²²³Ra (période de 11,43 jours) produit du ²¹⁹Rn (période 3,96 s) qui, dans le même processus, fournit du polonium 215 (période 1,78×10⁻³ s). Par désintégration alpha, 99,99 % de cet élément se transforme en ²¹¹Pb (période 36,1 min) qui, à son tour, se désintègre en bismuth 211 (période 2,15 min). Le thallium 207 (période 4,78 min) provient de la désagrégation du ²¹¹Bi, sans passer par l’astate. Seulement 0,01 % des décompositions du ²¹⁵Po produit du ²¹⁵At (période 10⁻⁴ s). Par conséquent, sa contribution à l’astate total est aussi très faible. Ces éléments confirment que la contribution du ²²³Fr à la présence d’astate sur Terre est minime.

Chimiques

Les caractéristiques chimiques du francium ressemblent à celles du césium. En tant qu’élément lourd avec un unique électron de valence, il possède la plus grande masse atomique équivalente. Également, son électronégativité est la plus faible sur l’échelle de Pauling  avec 0,7, suivi de près par le césium avec 0,79. Si on parvenait à obtenir du Fr à l’état liquide, sa tension de surface à la température de fusion serait de 0,050 92 J m−2. Une tension qui est relativement basse.

Le francium coprécipite avec de nombreux sels de césium tels que l’iodate, le picrate, le tartrate (et le tartrate de rubidium), le chloroplatinate et le silicotungstate. Avec le perchlorate de césium, il forme de petites quantités de perchlorate de francium. On peut appliquer la méthode de coprécipitation du césium de Nelson et Glendenin pour isoler le Fr. D’autres techniques de séparation peuvent être utilisées en précipitant le francium avec de l’acide perchlorique et l’acide silicotungstique. Une grande partie des sels de francium est dissoute par l’eau.

Applications

En raison de sa rareté et de son caractère instable, le francium ne trouve aucune application commerciale. Son utilisation se limite à la recherche dans le domaine de la biologie et dans celui de la physique atomique. Bien qu’il ait été envisagé comme une aide potentielle pour diagnostiquer les maladies cancéreuses, son application dans cette voie s’est avérée impossible.

Sa structure atomique simple ajoutée à la possibilité de le synthétiser, confiner et refroidir fait du francium un sujet d’étude pour des expériences de spectroscopie. Des informations sur les niveaux d’énergie et les constantes de couplage entre particules subatomiques ont été ainsi obtenues. Les ions de ²¹⁰Fr confinés par laser émettent des rayonnements. Leur étude a permis d’avoir des données exactes sur les transitions entre les niveaux d’énergie atomiques. Les résultats des expériences se rapprochent de ceux prédits par la physique quantique.

Abondance

Naturelle

Le francium est généré par la désintégration alpha de ²²⁷Ac et se trouve à l’état de traces dans les minerais de thorium et d’uranium. Dans un échantillon d’uranium donné, on estime qu’il y a un atome de Fr pour 10 atomes d’uranium. De plus, selon les calculs, seuls 30 g de francium existeraient en permanence dans la croûte terrestre. Par conséquent, l’élément 86 est le deuxième élément le plus rare, après l’astate.

Synthèse

La réaction nucléaire ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5n décrit la production du francium, suivant la méthode de synthèse développée à l’université d’État de New York. Elle permet de générer les isotopes de masses atomiques 209, 210 et 211, puis de les isoler en utilisant un effet magnéto-optique. Plus de mille atomes de Fr ont été ainsi stockés ensemble pendant environ vingt secondes.

De plus, le francium a également été produit dans un piège magnéto-optique à Legnaro, en Italie, au laboratoire LNL de l’INFN. Parmi les autres procédés de synthèse figurent le bombardement d’atomes de radium par des neutrons, ainsi que le bombardement d’atomes de thorium par des protons, du deutérium ou de l’hélium ionisé. Cependant, à ce jour, sa production à grande échelle n’a jamais été réalisée.