Atomes (4/2020)

Le francium est le plus lourd des métaux alcalins. C’est le dernier élément existant à l’état naturel à avoir été découvert et le second élément naturel le plus rare après l’astate. Il n’existerait qu’une trentaine de grammes de ce métal radioactif dans la croûte terrestre, dans des minerais d’uranium et de thorium. Sa rareté est due à son état d’élément transitoire dans la chaîne de désintégration de l’uranium 235, dans laquelle il se transforme en radium par désintégration β ou en astate par désintégration α. Le francium est aussi le moins stable des éléments plus légers que le seaborgium (²⁷⁷Sg).
Le francium a été découvert en 1939 à l’Institut Curie de Paris par Marguerite Perey, alors qu’elle purifiait du lanthane, une terre rare contenant de l’actinium. Autrefois appelé eka-césium ou actinium K, car il est le produit de désintégration de l’actinium 227, le francium possède trente-quatre isotopes, dont aucun n’est stable. Celui ayant la plus grande durée de vie – de 21,48 min –, est le ²²³Fr. Celui ayant la demi-vie la plus courte (0,70 μs) est le ²¹⁶Fr. Le point de fusion de l’isotope 223 est de 27 °C, son point d’ébullition de 677 °C et sa densité de 1,87. Le francium possède la plus faible électronégativité de tous les éléments.
Le francium coprécipite avec le perchlorate de césium, avec lequel il forme de faibles quantités de perchlorate de francium, ce qui permet de l’isoler. Il précipite également avec des sels de césium, dont l’iodate, le picrate et le tartrate, ainsi qu’avec l’acide perchlorique. La plupart de ses sels sont solubles dans l’eau.
Le francium peut être synthétisé à partir de l’or par la réaction ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5 n. Ce procédé permet d’obtenir également les isotopes ²⁰⁹Fr et ²¹¹Fr, qui peuvent être isolés en exploitant un effet magnéto-optique. Parmi les autres méthodes de synthèse figurent notamment le bombardement d’atomes de radium par des neutrons, ainsi que d’atomes de thorium par des protons ou encore de deutérium par des ions hélium.
En raison de son instabilité et de sa rareté, il n’y a pas d’application commerciale du francium. Il est donc une curiosité de laboratoire, utilisée dans la recherche, en biologie et en physique nucléaire. En chimie, il a fait l’objet d’études en spectroscopie, qui ont conduit à la découverte d’informations concernant les niveaux d’énergie et les constantes de couplage entre particules subatomiques. L’étude des rayonnements émis par des ions de ²¹⁰Fr confinés par laser a permis d’obtenir des données précises quant aux transitions entre niveaux d’énergie atomiques. Les résultats expérimentaux obtenus sont proches de ceux prédits par la physique quantique.