Depuis 2016, le tableau périodique compte officiellement 118 éléments. Mais comment ces superéléments sont-ils créés en laboratoire et quelles perspectives offrent-ils ?
Du tableau 'complet' aux découvertes en labo
Au milieu du XXe siècle, le tableau périodique semblait achevé avec 92 éléments naturels. Le développement de la bombe atomique a toutefois permis la création d'éléments artificiels. Depuis les années 2000, les laboratoires repoussent les limites : en 2016, l'élément 117 (tennessine, anciennement ununseptium) a été officiellement reconnu, portant le total à 118. Comment procède-t-on et à quoi servent-ils ?
C'est une opération d'une précision extrême. L'accélérateur linéaire de 120 mètres du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt, en Allemagne, agit comme un canon de haute technologie, propulsant des milliards de projectiles par seconde.
Les 'projectiles' sont des ions de chrome, la cible une feuille micrométrique de curium radioactif. L'objectif : fusionner un noyau de chrome avec un noyau de curium à la vitesse idéale. Cela forme un 'supernoyau' absorbant protons et neutrons des deux, potentiellement l'élément 120 (provisoirement unbinilium), comblant une nouvelle case du tableau.
En 2010, les chercheurs du GSI l'ont approché. "Nous avons des indices de production de l'élément 120", explique Sigurd Hofmann, professeur au GSI. "Des particules se désintègrent en éléments plus légers après bombardement. Mais la séquence reste incertaine."
D'autres expériences, à Darmstadt ou dans des centres comme aux États-Unis et en Russie, sont nécessaires pour confirmation.
Cible manquante
Malgré des semaines de tir, les impacts directs sont rarissimes. Presque tous les projectiles traversent la cible : le noyau atomique est infime face à l'atome (imaginez une cathédrale avec un noyau de la taille d'une mouche).
Quand la fusion réussit, un nouvel élément naît. Hofmann a contribué à découvrir les éléments 107 à 112 (1982-1996), tous nommés aujourd'hui (l'élément 110 est le darmstadtium).
Les productions sont minuscules – souvent un seul atome – et instables : les superéléments ont des demi-vies courtes. Le curium (96) ou californium (98) durent des années, mais le livermorium (116) ne survit que 60 millisecondes en moyenne.
À la recherche de nombres magiques
Tous les noyaux comptent protons (définissant l'élément) et neutrons, entourés d'électrons. Au-delà de 92 protons (uranium), l'instabilité règne. Pourtant, des théories prédisent des 'îlots de stabilité' avec nombres magiques de protons/neutrons (ex. : 114 protons, 184 neutrons) remplissant parfaitement les coquilles nucléaires.
Créer et détecter les superéléments
La synthèse exige des accélérateurs géants et une patience infinie. "Pour confirmer le copernicium (112), deux semaines ont suffi pour un seul atome", note Hofmann.
Pour isoler l'atome parmi les milliards : séparation par masse via champs électriques/magnétiques. La déviation indique la masse (précision ~10 %), affinée par les désintégrations rapides (émission d'alpha : 2 protons + 2 neutrons).
Ces alpha sont détectés dans une plaque de silicium : "Un courant révèle l'événement", dit Hofmann. Les chaînes de désintégrations mènent à des éléments stables, permettant le calcul inverse.
Île de stabilité
Au-delà du livermorium (116), l'instabilité croît, mais la chasse continue vers l'îlot de stabilité : zone d'isotopes potentiellement stables.
"Nous y sommes presque, mais sur la 'côte'. Pour l'intérieur, il faut plus de neutrons", explique Hofmann. Des projectiles neutron-riches comme le calcium-48 sont testés, malgré la difficulté de faisceaux intenses.
Carte isotopique : hauteur des barres = stabilité. L'îlot est à droite ; le 'promontoire' gauche regroupe les éléments stables.
Des armes aux détecteurs de fumée
Les superéléments actuels n'ont pas d'usages pratiques immédiats. Mais la recherche fondamentale éclaire les éléments légers, et des stables futurs pourraient révolutionner la technologie, comme le plutonium (armes), curium (batteries), californium (médical) ou américium (détecteurs de fumée).
"Théories prédisent des noyaux stables jusqu'à Z=170, en formes exotiques (toriques ou creuses). Testons-les !", plaide Hofmann.
Chronologie des découvertes
1940 : Seaborg crée neptunium et plutonium.
1951 : Nobel de physique pour Seaborg.
1944-1961 : 10 éléments synthétisés aux USA.
1963-1975 : URSS co-découvre 102, 105-107.
1982-1996 : Darmstadt : 107-112.
2004 : Russie revendique 113, 115.
2009 : 112 = copernicium.
2011 : 114 = flerovium ; 116 = livermorium.
2013 : Suède confirme 115.
2016 : 113 = nihonium ; 115 = moscovium ; 117 = tennessine ; 118 = oganesson.
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