Le francium est un élément produit exclusivement par le processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements astrophysiques extrêmes comme les supernovae ou les fusions d'étoiles à neutrons. Cependant, en raison de ses isotopes tous radioactifs avec des demi-vies très courtes (le plus stable, \(^{223}\mathrm{Fr}\), a une demi-vie de seulement 22,00 minutes), il ne subsiste aucun francium primordiaux dans l'univers depuis la formation du système solaire. Tout francium produit à cette époque s'est désintégré il y a des milliards d'années. Le francium présent sur Terre aujourd'hui (en quantités infimes) est constamment recréé de deux manières :
Le \(^{223}\mathrm{Fr}\) (historiquement appelé AcK, pour "actinium K") est l'isotope naturel du francium ayant la plus longue demi-vie. Il se désintègre avec une demi-vie de 22,00 minutes principalement par désintégration bêta moins (99,994%) en radium-223, et très faiblement (0,006%) par émission alpha en astate-219. Sa présence est liée à l'équilibre séculaire avec son parent, l'actinium-227 (demi-vie 21,772 ans). On estime qu'à tout instant, moins d'un gramme de francium-223 est présent dans toute la croûte terrestre, disséminé dans les minerais d'uranium.
Malgré (ou à cause de) son extrême instabilité, le francium est un objet d'étude fascinant pour les physiciens. En tant que dernier alcalin, il possède un électron de valence célibataire dans une orbitale s (7s¹), ce qui en fait un atome "simple" du point de vue de la mécanique quantique, mais avec des effets relativistes très marqués en raison de la forte charge nucléaire. La mesure précise de ses propriétés atomiques (niveaux d'énergie, moments, structure hyperfine) permet de tester avec une grande précision les prédictions de l'électrodynamique quantique (QED) dans des champs électromagnétiques intenses. Ces tests contribuent à la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard.
L'existence d'un élément 87, un alcalin plus lourd que le césium, fut prédite par Dmitri Mendeleïev qui le baptisa "eka-césium". Sa recherche fut ardue et marquée par plusieurs fausses découvertes au début du XXe siècle (comme le "virginium" ou le "moldavium"), car ses propriétés chimiques attendues (extrême réactivité, grande instabilité) le rendaient insaisissable.
La découverte revient à la physicienne et chimiste française Marguerite Perey (1909-1975), alors assistante de Marie Curie à l'Institut du Radium (Paris). En 1939, en purifiant un échantillon d'actinium-227, elle remarqua une activité radioactive anormale (émission bêta) qui ne pouvait être attribuée à aucun isotope connu. Après des mois d'analyses chimiques minutieuses, elle démontra que cette activité était due à un nouvel élément, produit par désintégration alpha de l'actinium-227 (branche de 1,38%) :
\(^{227}\mathrm{Ac} \xrightarrow[\alpha]{} ^{223}\mathrm{Fr}\)
Elle confirma qu'il s'agissait bien du dernier alcalin manquant, et lui donna le nom de "francium" en hommage à son pays, la France, suivant ainsi la tradition des Curie (polonium) et de Debierne (actinium). Sa thèse, soutenue en 1946, consolida cette découverte. Marguerite Perey fut la première femme élue à l'Académie des sciences (1962), mais non à l'Académie française.
L'étude du francium était limitée par les quantités infimes disponibles naturellement. Dans les années 1970-80, le développement des accélérateurs de particules permit de produire des isotopes plus lourds et en plus grande quantité (bien que toujours infinitésimale à l'échelle macroscopique) par des réactions comme \(^{197}\mathrm{Au} + ^{18}\mathrm{O} \rightarrow \,^{210}\mathrm{Fr} + 5n\). Cela ouvrit la voie à des études physiques plus poussées.
Aujourd'hui, le francium est produit exclusivement de manière artificielle dans quelques laboratoires spécialisés dans le monde (Stony Brook aux États-Unis, TRIUMF au Canada, RIKEN au Japon, etc.). La méthode la plus courante utilise un faisceau d'oxygène-18 accéléré à environ 100 MeV pour bombarder une cible d'or-197. La réaction de fusion-évaporation produit des isotopes lourds du francium (comme \(^{210}\mathrm{Fr}\) à \(^{213}\mathrm{Fr}\)), qui sont ensuite extraits, séparés et piégés dans des dispositifs expérimentaux à l'état d'atomes individuels ou de petits nuages.
Les quantités produites sont si faibles qu'elles sont mesurées en nombre d'atomes par seconde (typiquement \(10^4\) à \(10^6\) atomes/s), et jamais en grammes. Il est donc impossible d'avoir un échantillon visible ou manipulable de francium métallique.
Le francium (symbole Fr, numéro atomique 87) est un élément du groupe 1, celui des métaux alcalins. Il est le membre le plus lourd et le plus radioactif de cette famille, qui comprend le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le très récent nihonium (probablement pas alcalin). Son atome possède 87 protons et, selon l'isotope, 123 à 150 neutrons. L'isotope naturel \(^{223}\mathrm{Fr}\) a 136 neutrons. Sa configuration électronique est [Rn] 7s¹, avec un unique électron de valence dans la couche 7s.
En raison de l'impossibilité d'obtenir une quantité macroscopique, la plupart des propriétés physiques du francium n'ont jamais été mesurées directement. Elles sont déduites par extrapolation des tendances du groupe des alcalins, de calculs théoriques et d'études spectroscopiques sur des atomes individuels.
Point de fusion estimé : ~300 K (~27 °C).
Point d'ébullition estimé : ~950 K (~677 °C).
Ces valeurs sont très incertaines.
Numéro atomique : 87.
Groupe : 1 (Métaux alcalins).
Configuration électronique : [Rn] 7s¹.
État d'oxydation : +1 (exclusif).
Isotope le plus stable : \(^{223}\mathrm{Fr}\) (T½ = 22,00 min).
Aspect (prédit) : Métal argenté, extrêmement réactif.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Production / Occurrence | Demi-vie / Mode de désintégration | Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Francium-212 — \(^{212}\mathrm{Fr}\) | 87 | 125 | 212,012s u | Synthétique | 20,0 min (β⁻, 99,45% ; α, 0,55%) | Isotope synthétique à durée de vie moyenne. |
| Francium-221 — \(^{221}\mathrm{Fr}\) | 87 | 134 | 221,014s u | Trace naturelle (chaîne Np-237) | 4,9 min (α, 99,65% ; β⁻, 0,35%) | Présent en traces dans les minerais contenant du neptunium-237. |
| Francium-222 — \(^{222}\mathrm{Fr}\) | 87 | 135 | 222,017s u | Synthétique | 14,2 min (β⁻) | Isotope synthétique. |
| Francium-223 — \(^{223}\mathrm{Fr}\) | 87 | 136 | 223,019736 u | Naturel (chaîne U-235) et synthétique | 22,00 min (β⁻, 99,994% ; α, 0,006%) | Isotope naturel le plus stable. Découvert par Marguerite Perey. Demi-vie la plus longue. Utilisé pour certaines études. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le francium possède 87 électrons répartis sur sept couches électroniques. Sa configuration électronique [Rn] 7s¹ est d'une simplicité remarquable : elle consiste en la configuration du radon (un gaz noble) plus un électron supplémentaire dans la couche 7s. Cela peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(8) Q(1), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 7s¹.
Couche K (n=1) : 2 électrons (1s²).
Couche L (n=2) : 8 électrons (2s² 2p⁶).
Couche M (n=3) : 18 électrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Couche N (n=4) : 32 électrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
Couche O (n=5) : 18 électrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
Couche P (n=6) : 8 électrons (6s² 6p⁶).
Couche Q (n=7) : 1 électron (7s¹).
Le francium possède un seul électron de valence (7s¹). Cet électron est très loin du noyau et est faiblement lié en raison de l'écran important créé par les 86 électrons des couches internes (configuration en gaz noble). Par conséquent :
Ces propriétés font du francium l'archétype du métal alcalin extrême : le plus électropositif, le plus réactif, et celui dont la chimie est dominée par l'ion Fr⁺.
Comme les autres alcalins, le francium n'existerait chimiquement que sous l'état d'oxydation +1. L'ion Fr⁺ serait le plus gros cation alcalin, avec un rayon ionique estimé à 180 pm. Sa chimie en solution aqueuse serait simple et similaire à celle du césium (Cs⁺), mais avec quelques différences :
Le métal francium, s'il pouvait être isolé, serait d'une réactivité explosive :
En pratique, ces réactions ne pourront jamais être observées sur un échantillon visible.
La chimie du francium est étudiée par des techniques de radiochimie en traces et de spectroscopie sur atomes froids piégés. On suit le comportement de quelques atomes (par leur radioactivité) dans des colonnes d'échange d'ions ou lors de coprécipitations. Ces études ont confirmé que son comportement est très proche de celui du césium, avec peut-être une légère différence dans les coefficients de partage due à sa taille plus grande.
Le francium n'a strictement aucune application pratique en dehors de la recherche fondamentale, en raison de son extrême rareté et de son instabilité. Ses "applications" se limitent donc au domaine de la science pure :
Comme tout émetteur bêta/alpha, le francium incorporé dans l'organisme serait toxique. Cependant, ce risque est purement théorique :
La manipulation se fait dans des laboratoires nucléaires contrôlés, avec des boucliers pour le faisceau d'ions et des procédures pour gérer les cibles activées. La chimie de séparation est effectuée dans des boîtes à gants ou des enceintes fermées.
Le francium restera à jamais un élément de laboratoire, une curiosité scientifique aux confins de la stabilité. Son intérêt réside dans ce qu'il nous apprend sur les lois fondamentales de la physique. Les recherches en cours et futures visent à :
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
