C'est le second élément le plus rare parmi les 92 premiers éléments de la classification périodique, après l’astate : il n'en existerait qu'une trentaine degrammes dans lacroûte terrestre. Cette rareté est due à son existence transitoire, en tant que produit de désintégration de l'actinium. Lademi-vie de l'isotope le plus stable223Fr est de 22minutes, puis il se transforme lui-même enradium pardésintégration bêta ou enastate parrayonnement alpha. Cette double radioactivité contribue au fait que l'astate est encore plus rare que le francium, ajouté au fait que les isotopes de l'astatenaturel ont tous leurs demi-vies bien inférieures à celle du francium 223[note 1].
Le francium a été découvert en1939 à l'Institut Curie de Paris parMarguerite Perey, en purifiant dulanthane contenant de l'actinium. Il s'agit du dernier élément découvert d'abord dans la nature, avant d'être synthétisé (certains éléments, tel letechnétium, ont été découverts dans la nature après avoir été synthétisés en laboratoire).
Dès lesannées 1870, la communauté des chimistes pensait qu'il devait exister unmétal de typealcalin denuméro atomique 87[6], en dessous ducésium dans laclassification périodique. Il était alors connu sous le nom provisoire eka-césium[7]. Les équipes de chercheurs essayaient de découvrir et d'isoler cet élément manquant. Au moins quatre annonces prématurées de sa découverte furent faites avant qu'il ne soit effectivement découvert.
Le premier scientifique à annoncer avoir découvert l’eka-césium fut le chimisterusse D. K. Dobroserdov[8]. En1925, celui-ci observa des traces deradioactivité dans un échantillon depotassium (un autre métal alcalin), et en conclut à une contamination de l'échantillon par l'eka-césium[9]. Il publia alors une thèse au sujet de ses prédictions concernant les propriétés de cet élément, dans laquelle il le baptisarussium, du nom de son pays[10]. Peu après, Dobroserdov commença à se concentrer sur sa carrière d'enseignement à l'Institut polytechnique d'Odessa et ne poursuivit pas ses travaux plus avant[9].
L'année suivante, les chimistes anglais Gerald J. F. Druce et Frederick H. Loring analysèrent desclichés de rayons X dusulfate de manganèse(II)[10]. Ils remarquèrent desraies spectrales qu'ils attribuèrent à l'eka-césium. Ils annoncèrent alors leur découverte de l'élément 87 pour lequel ils proposèrent le nomalkalinium, puisque cet élément serait le plus lourd des métaux alcalins[9].
En1936, le physicienroumainHoria Hulubei et sa collègue françaiseYvette Cauchois étudièrent également la pollucite, cette fois en utilisant un appareil despectroscopie de rayons-X haute résolution[9]. Ils observèrent plusieurs raies d'émission de faibles intensités qu'ils attribuèrent à l'élément 87. Hulubei et Cauchois publièrent leur découverte et proposèrent de baptiser l'élémentmoldavium, avec pour symbole Ml, du nom de laMoldavie, province où Hulubei était né. En1937, ces travaux furent critiqués par le physicien américain F. H. Hirsh Jr. qui rejeta les méthodes d'Hulubei. Hirsh était certain que l'eka-césium n'existait pas dans la nature et qu'Hulubei avait en réalité observé les raies spectrales dumercure ou dubismuth. Hulubei lui répondit que ses équipements et ses méthodes étaient trop précis pour une telle erreur. De ce fait,Jean Baptiste Perrin, lauréat duprix Nobel de physique et mentor d'Hulubei, soutint le moldavium en tant que véritable eka-césium, cela en dépit de la découverte du francium parMarguerite Perey. Perey continua de réfuter les travaux d'Hulubei jusqu'au moment où la découverte de l'élément 87 lui fut attribuée à elle seule[9].
L'eka-césium fut véritablement découvert en1939 parMarguerite Perey à l'Institut Curie àParis. Elle travaillait alors à la purification d'un échantillon d'actinium 227, élément se désintégrant avec uneénergie de désintégration de220keV. Cependant, elle remarqua également des particules émises avec une énergie bien inférieure à80keV. Perey pensa que cettedécroissance radioactive pouvait être due à la présence d'unproduit de désintégration non identifié, produit qui serait éliminé durant la purification mais réapparaîtrait du fait de la désintégration denoyaux d'actinium. Des tests permirent d'éliminer la possibilité de présence dethorium, deradium, deplomb, debismuth ou dethallium. Les propriétés chimiques du nouveau produit étaient celles d'un métal alcalin (par exemple la coprécipitation avec dessels de césium), ce qui conduisit Perey à penser qu'il s'agissait de l'élément 87, apparu suite à ladésintégration de type α de l'actinium 227[7]. Perey tenta alors de déterminer la proportion des désintégrations alpha etbêta pour l'actinium 227. Ses premiers tests lui permirent d'estimer la proportion de désintégration alpha à 0,6 %, valeur qu'elle révisa plus tard à 1 %[13].
Perey baptisa le nouvelisotopeactinium-K, connu à l'heure actuelle sous le nom de francium 223[7], et en1946 elle proposa de baptisercatium le nouvel élément. Elle savait en effet qu'il s'agissait de l'élément le plusélectropositif de la classification périodique. L'une des supérieures de Perey,Irène Joliot-Curie, s'opposa à ce nom, car, à l'oreille il semblait avoir plus souvent pour origine le motchat quecation (en anglaiscat signifie chat)[7]. Perey proposa alorsfrancium, en hommage au pays dans lequel avait eu lieu la découverte. Ce nom fut adopté officiellement par l'Union internationale des chimistes en1949 et reçut pour symbole Fa, symbole changé peu après en Fr[14]. Le francium fut le dernier élément existant à être découvert à l'état naturel, après lerhénium en1925[7]. Parmi les travaux de recherche concernant le francium qui furent menés depuis, on peut citer notamment ceux conduits parSylvain Lieberman et son équipe auCERN dans lesannées 1970 etannées 1980[15].
Le francium ne possède aucun isotope stable. Sonradioisotope le plus stable, le francium 223, possède unedemi-vie inférieure à 22minutes. À titre de comparaison, le deuxième élément le moins stable, l'astate, possède une demi-vie pour l'isotope le plus stable inférieure à 8,5heures[6]. Tous les isotopes du francium se désintègrent en formant de l'astate, duradium ou duradon[6].
Le francium est unalcalin dont les propriétés chimiques se rapprochent de celles ducésium[16]. Étant un élément lourd avec un seulélectron de valence[17], il est l'élément possédant la masse équivalente la plus grande[16]. De même, il est l'élément connu possédant l'électronégativité la plus faible, 0,7 sur l'échelle de Pauling[18] (le deuxième élément le moins électronégatif est le césium, 0,79 sur l'échelle de Pauling[19]). Si du francium liquide pouvait être obtenu, il aurait unetension de surface de 0,050 92 Jm−2 à satempérature de fusion[20], ce qui est relativement faible. En utilisant une méthode de calcul basée sur les températures de fusion des composés binaires, celle du Francium a été évaluée à 24,861 ± 0,517 °С[21].
Le franciumcoprécipite avec plusieurssels de césium, comme leperchlorate de césium avec lequel il forme de faibles quantités deperchlorate de francium. La coprécipitation peut être utilisée pour isoler le francium, en adaptant la méthode de coprécipitation du césium de Glendenin et Nelson. Il précipite notamment avec des sels de césium, dont l'iodate, lepicrate, letartrate (il précipite également avec le tartrate derubidium), lechloroplatinate, et lesilicotungstate(en). Il précipite également avec l'acide silicotungstique et l'acide perchlorique, ce qui rend possible d'autres techniques de séparation[22],[23]. La plupart des sels de francium sontsolubles dans l'eau[24].
Du fait de son caractère instable et de sa rareté, il n'y a pas d'application commerciale du francium[25],[26],[27],[28],[29]. Il n'est utilisé que dans la recherche, à la fois dans le domaine de labiologie et de celui de laphysique atomique. Il a été imaginé qu'il puisse être une aide pour le diagnostic demaladies cancéreuses[6], mais cette application s'est révélée impossible[27].
La capacité du francium à être synthétisé, confiné et refroidi, alliée à sa structure atomique relativement simple, en ont fait un objet d'études pour des expériences de spectroscopie. Ces expériences ont conduit à la découverte d'informations concernant les niveaux d'énergie et lesconstantes de couplage entreparticules subatomiques[31]. L'étude desrayonnements émis par desions de francium 210 confinés parlaser a permis d'obtenir des données précises quant aux transitions entre niveaux d'énergie atomiques. Les résultats expérimentaux sont proches de ceux prédits par laphysique quantique[32].
Le francium est le produit de la désintégration de type alpha de l'actinium 227 et existe à l'état de traces dans les minerais d'uranium et dethorium[16]. Dans un échantillon donné d'uranium, la quantité de francium présente est estimée à unatome pour 1018 atomes d'uranium[27]. Par ailleurs, des calculs montrent qu'il n'y aurait pas, en permanence, plus de 30 g de francium dans lacroûte terrestre[33]. À ce titre, il s'agit du deuxième élément parmi les 92 premiers éléments de la classification périodique le plus rare dans la croûte terrestre, après l'astate[6],[27].
Le francium peut être synthétisé par laréaction nucléaire197Au +18O →210Fr + 5n. Ce procédé de synthèse, développé à l'université d'État de New York, permet d'obtenir les isotopes demasses atomiques 209, 210 et 211[34], qui peuvent être ensuite isolés en exploitant un effet magnéto-optique[35]. Par cette méthode, plus de mille atomes de l'élément ont été stockés ensemble pendant une vingtaine de secondes[36]. Le francium a été également obtenu dans unpiège magnéto-optique à Legnaro en Italie, au laboratoire LNL de l'INFN[37]. Parmi les autres méthodes de synthèse figurent notamment le bombardement d'atomes de radium par desneutrons ou celui d'atomes de thorium par desprotons, ou dudeutérium ou de l'hélium ionisé[13]. À l'heure actuelle, il n'a jamais été produit en quantité importante[16],[6],[27],[38].
↑L’astatenaturel (soit l'astate 215, 218 et 219) peut provenir des deuxchaines radioactives de l’uranium :uranium 235 (pour l'astate 215 et 219) eturanium 238 (pour l'astate 218), alors que le francium 223 n'est produit que par une diverticule de la chaine de l'uranium 235. Donc le fait que le francium ne se transforme pas intégralement en astate ne pourrait avoir que peu de rapport avec leur rareté relative. En effet :
d'une part, la plus grande part (99,994 %) des désintégrations du francium 223 donnent le radium 223 par désintégration bêta moins, et, seulement 0,006 % donnent l'astate 219 par désintégration alpha,
d'autre part, l'astate 219 a une période de 56 s, donc la contribution de l'astate 219 ainsi formé à l'astate total serait faible,
d'autre part, le radium 223 (période 11,43 jours) donne le radon 219 par désintégration alpha, lequel radon 219 (période 3,96 s) donne par désintégration alpha le polonium 215 (période 1,78×10−3 s), lequel polonium 215 donne majoritairement (99,99 %) le plomb 211 (période 36,1 min) par désintégration alpha, lequel plomb 211 donne le bismuth 211 (période 2,15 min), lequel bismuth 211 donne le thallium 207 (période 4,78 min) sans passer par l'astate ; seulement 0,01 % des désintégrations du polonium 215 donnent l'astate 215 (période 10−4 s), donc la contribution de l'astate 215 ainsi formée à l'astate total serait également très faible.
On pourrait en déduire que la contribution du francium 223 à l'astate présent sur la Terre serait faible.
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