Francium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

Francium entsteht in der Natur nur als seltener Seitenzweig der Zerfallsreihe von Uran-235. Das Zwischenprodukt Actinium-227 zerfällt zum weitaus größten Teil durch Betastrahlung zu Thorium-227. In einem kleinen Teil der Fälle sendet es stattdessen ein Alphateilchen aus und wird zu Francium-223. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von rund 22 Minuten und ist damit das langlebigste Isotop des Elements. Kaum entstanden, zerfällt es schon wieder. In der gesamten Erdkruste gibt es deshalb zu jedem Zeitpunkt nur Spuren, eine Menge, die man weder sehen noch sammeln kann.

Marguerite Perey arbeitete am Institut Curie mit gereinigtem Actinium-227 und bemerkte eine Strahlung, die nicht vom Actinium selbst stammen konnte. Mit Caesiumsalzen, die sie aus der Lösung ausfallen ließ, riss sie die unbekannte Substanz mit, und so erkannte sie ein neues Alkalimetall, das sich wie ein schwereres Caesium verhält. Sie meldete den Fund 1939. Francium war das letzte Element, das man zuerst in der Natur entdeckte und nicht erst im Labor herstellte. Perey wurde später Professorin in Straßburg. Sie starb 1975 an einer Krebserkrankung, die man mit der Strahlenbelastung bei ihrer Arbeit in Verbindung bringt.

Eigenschaften und Reaktionen

Francium steht in Periode 7 und Gruppe 1, unter dem Caesium und als schwerstes Alkalimetall am unteren Ende der Gruppe. Rechts daneben folgt in der Periode das Radium. Das Atom hat ein Valenzelektron, die Elektronenkonfiguration lautet [Rn] 7s¹. Als Atommasse gilt 223 u, die Massenzahl des langlebigsten Isotops Francium-223.

Von den Eigenschaften ist fast nichts gemessen. Die Elektronegativität von 0,7 und der Schmelzpunkt von 27 °C sind Schätzungen aus den Trends der Gruppe und aus Rechnungen. Für Siedepunkt, Dichte und Atomradius liegen keine Messwerte vor. Auch das chemische Verhalten kennt man nur aus Untersuchungen mit winzigen Spuren: Francium-Ionen gleichen den Caesium-Ionen und fallen mit manchen schwer löslichen Caesiumsalzen gemeinsam aus.

Man erwartet ein sehr unedles Metall, das ein einfach positives Ion bildet und mit Wasser heftig reagieren würde. Ob es noch reaktiver ist als Caesium, ist nicht belegt, und Rechnungen deuten an, dass Effekte der Relativitätstheorie bei so schweren Atomen das Verhalten spürbar verändern. Eine Reaktion kann niemand beobachten, denn es existiert keine sichtbare Menge.

Francium-223 wandelt sich überwiegend durch Betazerfall in Radium-223 um, einen Alphastrahler, der die Zerfallsreihe fortsetzt.

Forschung und Herstellung

Weil man Francium nicht aus der Natur gewinnen kann, erzeugt man es künstlich. Dazu trifft ein Strahl aus Ionen oder Protonen in einem Teilchenbeschleuniger auf ein Target, etwa aus Gold oder aus Urancarbid. Die entstehenden Atome müssen innerhalb weniger Minuten in einer Falle gesammelt werden, bevor sie zerfallen. Alltagsanwendungen gibt es nicht, und es wäre auch nicht möglich, genug Material zu sammeln.

Als schwerstes Alkalimetall hat Francium wie Natrium oder Caesium nur ein äußeres Elektron, und sein Spektrum lässt sich vergleichsweise einfach deuten. Forschungsgruppen an Beschleunigeranlagen in Nordamerika, Europa und Japan kühlen die Atome mit Laserlicht auf Bruchteile eines Grades über dem absoluten Nullpunkt ab und halten sie in magnetooptischen Fallen fest. In diesen Fallen messen sie die Energieniveaus der Atomhülle sehr genau und prüfen, wie gut die Theorie sie beschreibt.

Besonders interessant sind winzige Verletzungen der Spiegelsymmetrie durch die schwache Wechselwirkung, die bei schweren Atomen stärker ausfallen. Auch die Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Elektrons ist ein Ziel. Es würde auf Physik jenseits des heutigen Standardmodells hinweisen.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Francium (Fr)?

Häufige Fragen