Изотопы франция

Изотопы франция — разновидности атомов (и ядер) химического элемента франция, имеющие разное содержание нейтронов в ядре.

Франций не имеет стабильных изотопов. На 2022 год известно 37 изотопов франция с массовыми числами 197—233 и несколько метастабильных ядерных изомеров. Франций-223 (самый долгоживущий из изотопов франция, период полураспада 22 минуты) входит в одну из побочных ветвей природного радиоактивного ряда урана-235 и содержится в крайне малых количествах в урановых минералах.

История получения

В 1948 году изотопы ²¹²Fr, ²¹⁸Fr, ²¹⁹Fr и ²²⁰Fr зафиксировали при распаде продуктов обстрела тория дейтронами на синхротроне в Беркли.

В Дубне металлический уран облучали протонами, при этом получался франций-212. За 15 минут облучения в 1 г урана получали до 5·10⁻¹³ г франция.

В 1967 году в продуктах распада актиния, который нарабатывали бомбардировкой висмута ядрами углерода на ускорителе в Дубне нашли франций-214. С конца 60-х годов на Линейном ускорителе тяжелых ионов в Беркли облучали свинец и таллий ядрами азота и неона. Удалось получить изотопы франций-215 и 216. Там же, обстреливая золото, свинец, таллий ядрами кислорода, бора и углерода получили франций-213 и легкие изотопы 204—211. Стреляя протонами по мишени из расплавленного олова, в 1969 году на синхротроне в ЦЕРНе получили тяжёлые изотопы — ²²⁴Fr, ²²⁵Fr и ²²⁶Fr, в 1975 году там же обнаружили франций-229, бомбардируя протонами уран-лантановую мишень. Самый тяжёлый изотоп франций-233 открыли в 2010 году на синхротроне в Дармштадте другим способом — обстреливали легкую мишень из бериллия ионами урана.

Франций-197 и 198

Открыты в 2013 году. Возможные реакции получения:

${}_{59}^{141}{\textrm {Pr}}+{}_{28}^{60}{\textrm {Ni}}\rightarrow {}_{87}^{197}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{59}^{141}{\textrm {Pr}}+{}_{28}^{60}{\textrm {Ni}}\rightarrow {}_{87}^{198}{\textrm {Fr}}+{3}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Франций-199 и 200

Франций-199 впервые получен в 1999 году на циклотроне RIKEN в Японии. Тулиевую мишень обстреливали ядрами лёгкого изотопа аргона-36 (215 МэВ):

${}_{69}^{169}{\textrm {Tm}}+{}_{18}^{36}{\textrm {Ar}}\rightarrow {}_{87}^{199}{\textrm {Fr}}+{6}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

В 1995 году там же получили франций-200. Использовали поток ядер аргона-36 с энергией 186 МэВ:

${}_{69}^{169}{\textrm {Tm}}+{}_{18}^{36}{\textrm {Ar}}\rightarrow {}_{87}^{200}{\textrm {Fr}}+{5}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Эти 2 изотопа также можно получить бомбардировкой празеодима никелем-60.

${}_{59}^{141}{\textrm {Pr}}+{}_{28}^{60}{\textrm {Ni}}\rightarrow {}_{87}^{199}{\textrm {Fr}}+{2}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{59}^{141}{\textrm {Pr}}+{}_{28}^{60}{\textrm {Ni}}\rightarrow {}_{87}^{200}{\textrm {Fr}}+_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Франций-201 и 202

В 1980 году в продуктах облучения урана 600 МэВ-протонами в синхроциклотроне ЦЕРН нашли изотопы франций-201 и франций-202.

Франций-203

В 1967 году было анонсировано открытие франция-203. На Линейном ускорителе тяжелых ионов в Беркли облучали золото-197 и таллий-205 кислородом-16 (166 МэВ) и углеродом-12 (126 МэВ) соответственно. Его можно получить таким же способом как и франций-199 и 200, только используется тяжёлый изотоп аргона:

${}_{69}^{169}{\textrm {Tm}}+{}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}\rightarrow {}_{87}^{203}{\textrm {Fr}}+{6}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Франций-204—211

Об обнаружении изотопов франция с массовыми числами 204—211 сообщили в 1964 году. Золото-197, таллий-203, 205, и тяжёлый свинец-208 облучали кислородом-16, углеродом-12 и бором-11 (энергия частиц до 10,38 МэВ) на Линейном ускорителе тяжелых ионов в Беркли.

Франций-204—207

Для получения этих изотопов золото облучали лёгким кислородом:

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{204}{\textrm {Fr}}+{9}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{205}{\textrm {Fr}}+{8}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{206}{\textrm {Fr}}+{7}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{207}{\textrm {Fr}}+{6}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Известна реакция получения франция-205 из тулия-169 и аргона-40:

${}_{69}^{169}{\textrm {Tm}}+{}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}\rightarrow {}_{87}^{205}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Также известна реакция получения франция-207 из тантала-181 и тяжёлого изотопа кремния:

${}_{73}^{181}{\textrm {Ta}}+{}_{14}^{30}{\textrm {Si}}\rightarrow {}_{87}^{207}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Франций-208

Для получения этого относительно долгоживущего изотопа (период полураспада около 1 мин) используют золото и тяжёлый кислород:

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{18}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{208}{\textrm {Fr}}+{7}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Известен ещё один способ получения франция-208: легкую мишень из бериллия облучают ядрами урана-238.

Франций-209

Известны следующие реакции получения этого нуклида:

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{209}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{18}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{209}{\textrm {Fr}}+{6}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

Интересна реакция с участием иттербия для получения франция-209:

${}_{70}^{176}{\textrm {Yb}}+{}_{17}^{37}{\textrm {Cl}}\rightarrow {}_{87}^{209}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Эту же реакцию можно использовать для получения франция-210 (см. ниже):

${}_{70}^{176}{\textrm {Yb}}+{}_{17}^{37}{\textrm {Cl}}\rightarrow {}_{87}^{210}{\textrm {Fr}}+{3}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Франций-210 и 211

Эти изотопы живут относительно долго, их период полураспада порядка 3 минут. Для получения франция-210 и 211 пригодны пары Au—O и Tl—C:

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{18}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{210}{\textrm {Fr}}+{5}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{16}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{210}{\textrm {Fr}}+{3}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

${}_{81}^{205}{\textrm {Tl}}+{}_{6}^{12}{\textrm {C}}\rightarrow {}_{87}^{210}{\textrm {Fr}}+{7}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{18}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{211}{\textrm {Fr}}+{4}_{0}^{1}{\textrm {n}}$

${}_{81}^{203}{\textrm {Tl}}+{}_{6}^{13}{\textrm {C}}\rightarrow {}_{87}^{211}{\textrm {Fr}}+{5}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

${}_{81}^{205}{\textrm {Tl}}+{}_{6}^{12}{\textrm {C}}\rightarrow {}_{87}^{211}{\textrm {Fr}}+{6}_{0}^{1}{\textrm {n}}+\mathrm {\gamma }$

Таблица изотопов франция

Символ нуклида	Историческое название	Z(p)	N(n)	Масса изотопа (а. е. м.)	Период полураспада (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе
		Энергия возбуждения
197Fr		87	110	197,01101(6)	2,3(1,9) мс	α	193At	(7/2−)
198Fr		87	111	198,01028(3)	15(3) мс	α	194At	3+#
199Fr		87	112	199,00726(4)	16(7) мс			1/2+#
200Fr		87	113	200,00657(8)	24(10) мс	α	196At	3+#
200mFr		60(110) кэВ			650(210) мс	α	196At	10−#
						ИП (редко)	200Fr
201Fr		87	114	201,00386(8)	67(3) мс	α (99 %)	197At	(9/2−)
						β+ (1 %)	201Rn
202Fr		87	115	202,00337(5)	290(30) мс	α (97 %)	198At	(3+)
						β+ (3 %)	202Rn
202mFr		330(90)# кэВ			340(40) мс	α (97 %)	198At	(10−)
						β+ (3 %)	202Rn
203Fr		87	116	203,000925(17)	0,55(2) с	α (95 %)	199At	(9/2−)#
						β+ (5 %)	203Rn
204Fr		87	117	204,000653(26)	1,7(3) с	α (96 %)	200At	(3+)
						β+ (4 %)	204Rn
204m1Fr		50(4) кэВ			2,6(3) с	α (90 %)	200At	(7+)
						β+ (10 %)	204Rn
204m2Fr		326(4) кэВ			1,7(6) с			(10−)
205Fr		87	118	204,998594(8)	3,80(3) с	α (99 %)	201At	(9/2−)
						β+ (1 %)	205Rn
206Fr		87	119	205,99867(3)	~16 с	β+ (58 %)	206Rn	(2+, 3+)
						α (42 %)	202At
206m1Fr		190(40) кэВ			15,9(1) с			(7+)
206m2Fr		730(40) кэВ			700(100) мс			(10−)
207Fr		87	120	206,99695(5)	14,8(1) с	α (95 %)	203At	9/2−
						β+ (5 %)	207Rn
208Fr		87	121	207,99714(5)	59,1(3) с	α (90 %)	204At	7+
						β+ (10 %)	208Rn
209Fr		87	122	208,995954(16)	50,0(3) с	α (89 %)	205At	9/2−
						β+ (11 %)	209Rn
210Fr		87	123	209,996408(24)	3,18(6) мин	α (60 %)	206At	6+
						β+ (40 %)	210Rn
211Fr		87	124	210,995537(23)	3,10(2) мин	α (80 %)	207At	9/2−
						β+ (20 %)	211Rn
212Fr		87	125	211,996202(28)	20,0(6) мин	β+ (57 %)	212Rn	5+
						α (43 %)	208At
213Fr		87	126	212,996189(8)	34,6(3) с	α (99,45 %)	209At	9/2−
						β+ (0,55 %)	213Rn
214Fr		87	127	213,998971(9)	5,0(2) мс	α	210At	(1−)
214m1Fr		123(6) кэВ			3,35(5) мс	α	210At	(8−)
214m2Fr		638(6) кэВ			103(4) нс			(11+)
214m3Fr		6477+Y кэВ			108(7) нс			(33+)
215Fr		87	128	215,000341(8)	86(5) нс	α	211At	9/2−
216Fr		87	129	216,003198(15)	0,70(2) мкс	α	212At	(1−)
						β+ (2⋅10−7%)	216Rn
217Fr		87	130	217,004632(7)	16,8(19) мкс	α	213At	9/2−
218Fr		87	131	218,007578(5)	1,0(6) мс	α	214At	1−
218m1Fr		86(4) кэВ			22,0(5) мс	α	214At
						ИП (редко)	218Fr
218m2Fr		200(150)# кэВ						высокий
219Fr		87	132	219,009252(8)	20(2) мс	α	215At	9/2−
220Fr		87	133	220,012327(4)	27,4(3) с	α (99,65 %)	216At	1+
						β− (0,35 %)	220Ra
221Fr		87	134	221,014255(5)	4,9(2) мин	α (99,9 %)	217At	5/2−
						β− (0,1 %)	221Ra
						КР (8,79⋅10−11%)	207Tl 14C
222Fr		87	135	222,017552(23)	14,2(3) мин	β−	222Ra	2−
223Fr	Актиний K	87	136	223,0197359(26)	22,00(7) мин	β− (99,99 %)	223Ra	3/2(−)	следовые количества
						α (0,006 %)	219At
224Fr		87	137	224,02325(5)	3,33(10) мин	β−	224Ra	1−
225Fr		87	138	225,02557(3)	4,0(2) мин	β−	225Ra	3/2−
226Fr		87	139	226,02939(11)	49(1) с	β−	226Ra	1−
227Fr		87	140	227,03184(11)	2,47(3) мин	β−	227Ra	1/2+
228Fr		87	141	228,03573(22)#	38(1) с	β−	228Ra	2−
229Fr		87	142	229,03845(4)	50,2(4) с	β−	229Ra	(1/2+)#
230Fr		87	143	230,04251(48)#	19,1(5) с	β−	230Ra
231Fr		87	144	231,04544(50)#	17,6(6) с	β−	231Ra	(1/2+)#
232Fr		87	145	232,04977(69)#	5(1) с	β−	232Ra
233Fr		87	146	233,052518(21)	900(100) мс	β−	233Ra	1/2+ #

Пояснения к таблице

• Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.