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^[1]. 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.

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.

Открыты в 2013 году. Возможные реакции получения^[2][3]:

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

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

Франций-199 впервые получен в 1999 году на циклотроне RIKEN в Японии^[4][5]. Тулиевую мишень обстреливали ядрами лёгкого изотопа аргона-36 (215 МэВ):

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

В 1995 году там же получили франций-200. Использовали поток ядер аргона-36 с энергией 186 МэВ^[5]:

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

Эти 2 изотопа также можно получить бомбардировкой празеодима никелем-60^[2][3].

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

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

В 1980 году в продуктах облучения урана 600 МэВ-протонами в синхроциклотроне ЦЕРН нашли изотопы франций-201 и франций-202^[5].

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^[5]. Его можно получить таким же способом как и франций-199 и 200, только используется тяжёлый изотоп аргона^[6]:

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

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^[5].

Для получения этих изотопов золото облучали лёгким кислородом^[5][7]:

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

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

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

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

Известна реакция получения франция-205 из тулия-169 и аргона-40^[8]:

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

Также известна реакция получения франция-207 из тантала-181 и тяжёлого изотопа кремния^[9]:

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

Для получения этого относительно долгоживущего изотопа (период полураспада около 1 мин) используют золото и тяжёлый кислород^[10]:

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

Известен ещё один способ получения франция-208: легкую мишень из бериллия облучают ядрами урана-238^[11].

Известны следующие реакции получения этого нуклида^[12][13]:

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

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

Интересна реакция с участием иттербия для получения франция-209^[12]:

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

Эту же реакцию можно использовать для получения франция-210 (см. ниже)^[14]:

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

Эти изотопы живут относительно долго, их период полураспада порядка 3 минут. Для получения франция-210 и 211 пригодны пары Au—O и Tl—C^{[14][5][15][13]}:

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

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

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

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

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

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

• 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.