C’est du lourd ! Des nouveaux éléments chimiques au tableau périodique

Olivier Le Qu/Shutterstock

Un tel évènement a peu de chance de se réitérer à l’avenir : quatre nouveaux éléments chimiques, dits superlourds, ont été récemment ajoutés – et simultanément !- au tableau périodique (dit aussi table de Mendeleïev). Quatre en une seule fois, c’est un beau résultat, mais la course pour en trouver d’autres est toujours d’actualité.

En 2012, L’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC) et son équivalent en physique (IUPAP) avaient commissionné cinq scientifiques indépendants pour examiner les annonces de découvertes des éléments 113, 115, 117 et 118. Les mesures ont été effectuées en Russie, à l’Institut unifié de recherches nucléaires russe de Doubna, et au Japon, à l’institut de recherches RIKEN entre 2004 et 2012.

Le 30 décembre 2015, l’IUPAC a annoncé que les proclamations des découvertes des quatre nouveaux éléments avaient été acceptées.

La septième ligne du tableau de classification des éléments chimiques est complétée. Wikimedia Commons

Cela complète la septième ligne du tableau périodique, ce qui signifie que tous les éléments entre l’hydrogène (qui a seulement un proton dans son noyau) et l’élément 118 (qui en a 118) ont désormais été découverts officiellement.

Après l’excitation de la découverte, les scientifiques ont maintenant à donner des noms. L’équipe japonaise proposera le nom de l’élément 113. Les groupes associés russe et américain le feront pour les éléments 115, 117 et 118. Ces noms seront examinés par l’IUPAC, et, une fois approuvés, deviendront les nouvelles appellations que les scientifiques et les étudiants auront à se souvenir.

Jusqu’à leurs découvertes et leurs noms officiels, tous les éléments superlourds (jusqu’au 999 !) ont été dotés de noms temporaires par l’IUPAC. Ainsi, l’élément 113 est connu comme « ununtrium » (Uut), le 115 est « ununpentium » (Uup), le 117 « ununseptium » (Uus) et le 118 « ununoctium » (Uuo). Ces noms ne sont pas utilisés par les physiciens qui se réfèrent aux « éléments », suivi de leur numéro. « Elément 118 », par exemple.

Eléments super-lourds

Les éléments plus lourds que le rutherfordium (élément 104) sont dits superlourds. Ils n’existent pas dans la nature parce qu’ils subissent une désintégration radioactive en éléments plus légers. Ces noyaux superlourds créés artificiellement ont une durée de vie (avant désintégration radioactive) entre la nanoseconde et la minute. Mais on pourrait trouver des noyaux superlourds à plus longue durée de vie (plus riches en neutrons) au centre de ce que les scientifiques appellent l’îlot de stabilité, un endroit où des noyaux riches en neutrons avec de longues demi-vies sont susceptibles d’exister.

À l’heure actuelle, les isotopes des nouveaux éléments qui ont été découverts se situent sur le « rivage » de cet îlot, puisque nous ne pouvons pas encore atteindre le centre.

Comment ces nouveaux éléments ont été créés

Les atomes des éléments superlourds sont forgés par la fusion nucléaire. Imaginez deux gouttes d’eau qui se touchent, elles vont « s’emboîter » en raison de la tension de surface pour former une plus grosse goutte d’eau, combinée.

Le problème de la fusion des noyaux lourds réside dans le grand nombre de protons dans les deux noyaux. Cela créé un champ électrique qui les repousse intensément l’un l’autre. Un accélérateur de particules dit à ions lourds doit être mis en œuvre pour échapper à cela, en faisant s’entrechoquer les deux noyaux et permettre aux surfaces nucléaires de se toucher.

Ce n’est pas encore suffisant : les deux noyaux de forme sphérique doivent encore changer de forme pour former une seule gouttelette de matière nucléaire, le noyau superlourd. Il se trouve que cela arrive seulement dans quelques rares collisions « heureuses », aussi rares qu’une sur un million.

Deux noyaux échouent à fusionner.

Il y a un autre obstacle. Le noyau superlourd va très probablement se désintégrer presque immédiatement par fission nucléaire. Une nouvelle fois, une fois sur un million, un noyau survit pour devenir un atome superlourd, identifié par sa signature unique de décomposition radioactive.

Le processus de création et d’identification d’un élément superlourd requiert des installations d’accélération de particules à grande échelle, des séparateurs magnétiques sophistiqués, des détecteurs efficaces, et du temps.

Trouver les trois atomes de l’élément 113 a pris dix ans aux chercheurs japonais et cela s’est fait après qu’un équipement expérimental a été développé.

La découverte de ces nouveaux éléments produit ses bénéfices. Elle améliore les modèles des noyaux atomiques, avec des implications pour la médecine nucléaire et, dans un autre domaine, pour notre compréhension de la formation des éléments de l’univers. Elle nous permet également de tester ce que nous savons des effets relativistes atomiques (d’une grande importance pour les propriétés chimiques des éléments lourds). Elle nous aide enfin, plus généralement, à mieux comprendre les complexes interactions, irréversibles, des systèmes quantiques.

La connection australienne

La course aux superlourds se poursuit avec l’objectif de produire les éléments 119 et 120. Le projectile, un faisceau de calcium-48 (Ca-48) utilisé avec succès pour la mise au jour des quatre derniers éléments, a trop peu de protons, et aucun autre noyau plus riche en protons n’est actuellement disponible. La question est donc de savoir quel serait le noyau plus lourd le plus approprié.

Pour examiner ce point, le leader et les membres de l’équipe de recherche allemande sur les éléments superlourds de Darmstadt ont fait récemment le voyage en Australie et se sont rendus à l’Australian National University (ANU).

Ils ont utilisé les dispositifs expérimentaux uniques de l’ANU, financés par le programme NCRIS du gouvernement australien, pour mesurer les caractéristiques de fission de plusieurs réactions nucléaires formant l’élément 120. Les résultats serviront à concevoir de futures expérimentations en Allemagne pour former de nouveaux superlourds.

Il semble évident qu’en utilisant les réactions de fusion nucléaire similaires à celles de l’élément 118, aller au-delà sera plus difficile. Mais c’était déjà le sentiment que l’on avait après la découverte de l’élément 112, observé pour la première fois en 1996. Et désormais, une nouvelle approche utilisant des projectiles de calcium-48 a permis la découverte de six autres éléments.

Les physiciens nucléaires explorent déjà différents types de réactions nucléaires pour produire les superlourds, et des résultats prometteurs ont déjà été affichés. Néanmoins, il faudrait une découverte radicale pour que l’on puisse voir quatre nouveaux noyaux ajoutés au tableau périodique comme cela vient d’être le cas.

This article was originally published in English