Depuis cette semaine, le tableau périodique compte 117 éléments. Comment sont-ils fabriqués et que peuvent-ils nous apporter ?
Au milieu du siècle dernier, le tableau périodique semblait complet. 92 éléments différents étaient connus. Mais avec le développement de la bombe atomique, de nouveaux éléments sont apparus. De nouveaux éléments se sont avérés réalisables en laboratoire. Depuis cette semaine, le compteur est à 117 (l'élément au nom provisoire "Ununseptium" est officiellement reconnu depuis la semaine dernière). Comment sont-ils fabriqués et que peuvent-ils nous apporter ?
C'est un peu comme une pratique ciblée. L'accélérateur linéaire de 120 mètres de long du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) à Darmstadt, en Allemagne, brille comme un canon fraîchement poli. Cet appareil tire quelques billions de projectiles par seconde.
Les « balles » sont des ions de chrome, la cible est une feuille d'un micromètre (millionième de mètre) d'épaisseur de curium radioactif. Le but est simple :s'assurer qu'une des balles touche la cible. En d'autres termes, un noyau de chrome entre en contact avec le noyau d'un atome de curium. Si cela se produit exactement à la bonne vitesse, les noyaux fusionneront pour former un supernoyau dans lequel toutes les particules nucléaires de chrome et de curium auront été englouties. Avec la création de ce nouvel élément, provisoirement nommé unbinillium (grec pour un-deux-zéro-ium), un nouveau carré du tableau périodique pourrait être coloré.
C'est du moins ce qu'espéraient les scientifiques du GSI en 2010. "Nous avons une indication de la production de l'élément 120", explique Sigurd Hofmann, professeur au GSI. "C'est-à-dire que nous avons observé des particules qui se désintègrent radioactivement en éléments plus légers après le bombardement au chrome. Nous avons peut-être vu l'élément 120 avec ça, mais la séquence de désintégration laissait place au doute. »
Hofmann indique que d'autres expériences doivent être faites pour confirmer l'existence de ce tout nouvel élément. Cela est possible avec l'accélérateur de Darmstadt ou dans l'une des rares autres usines de particules actives au monde, comme aux États-Unis et en Russie.
Cible manquante
Cela semble presque impossible, mais les scientifiques de la manière ci-dessus tirent régulièrement sur une cible pendant des semaines sans obtenir un seul coup. Hofmann dit que presque tous les atomes traversent la plaque. C'est parce que le noyau atomique est très petit par rapport à l'atome. Si vous faisiez exploser l'atome à la taille d'une cathédrale, le noyau aurait à peu près la taille d'une mouche domestique.
Mais parfois, il frappe sur place et les deux noyaux atomiques fusionnent. Hofmann a participé aux découvertes des éléments 107 à 112 entre 1982 et 1996, qui ont tous maintenant reçu un nom et une case dans le tableau périodique (l'élément 110 est officiellement appelé bowelstadtium).
Parce que les chances d'une fusion réussie sont si faibles, de grandes quantités de nouveaux éléments sont rarement créées. Souvent, une découverte ne repose que sur une poignée d'atomes. De plus, la quasi-totalité de ces nouveaux arrivants ont une vie très courte. En général, les atomes plus lourds ont des demi-vies de plus en plus courtes, ce qui signifie qu'ils se décomposent en éléments plus légers. Des éléments tels que le curium (96) et le californium (98) se désintègrent sur une période de plusieurs à plusieurs centaines d'années, même les éléments plus lourds sont si instables qu'ils survivent à peine au voyage vers le détecteur. L'isotope le plus stable du livermorium (116) existe en moyenne 60 millisecondes.
À la recherche de nombres magiques
Tous les atomes ont un noyau atomique constitué de protons et de neutrons, entouré d'un essaim d'électrons. Le nombre de protons dans le noyau détermine l'élément. Par exemple, l'hydrogène a un proton, le fer en a 26, l'uranium 92. Les noyaux avec plus de 92 protons sont instables. Cependant, il existe des théories qui prédisent des éléments lourds et stables. Ils auraient des nombres dits magiques de protons et de neutrons. Avec ces nombres, les "coquilles" sur lesquelles ces particules sont réparties dans l'atome sont exactement remplies. Un noyau avec, par exemple, 114 protons et 184 neutrons serait théoriquement (plus) stable.
Créer et rechercher des éléments
Créer un élément n'est pas facile. Vous avez besoin d'appareils énormes et d'une bonne dose de patience. "Les expériences avec lesquelles nous avons confirmé le copernicium (112) ont pris environ deux semaines", a déclaré Hofmann. "En fin de compte, nous avons détecté exactement un atome."
Mais si si peu d'atomes sont créés, comment peut-on le trouver parmi le reste des atomes qui ont traversé la plaque ? "Nous pouvons séparer en fonction de la masse des atomes", explique Hofmann. «Nous le faisons avec des champs électriques et magnétiques, dans lesquels les particules chargées dévient. Comme les particules de poids différents fléchissent de différentes manières, elles peuvent être séparées de cette manière. »
La déviation de l'atome donne déjà aux scientifiques une indication de la masse de l'atome fabriqué. "Cette mesure n'est pas très précise", déclare Hofmann. "L'incertitude de la masse peut atteindre 10 %, nous avons donc besoin de plus de mesures."
Et pour cela, la courte durée de vie des nouveaux atomes est utilisée. Les atomes super-lourds émettent rapidement un paquet de deux protons et deux neutrons, ou une particule alpha. Cela peut être détecté dans une plaque de silicium dans laquelle les atomes flambant neufs ont été martelés après leur production. Hofmann :"Dès qu'un tel nouvel atome émet une particule alpha, nous pouvons la voir comme un courant dans le silicium."
Il y a presque toujours une série de désintégrations dans lesquelles un élément émet plusieurs particules alpha et devient ainsi de plus en plus léger. Il devient également un nouvel élément à chaque fois. De cette façon, vous atteignez finalement un élément stable et bien connu. En "calculant" à partir de cet élément, il est possible de déterminer avec quel atome la série de désintégration a commencé.
Île de stabilité
La recherche d'atomes de plus en plus lourds a maintenant atteint l'élément 116, qui semble être extrêmement instable. Pourtant, les scientifiques continuent d'essayer de fabriquer des éléments de plus en plus lourds. De cette façon, ils espèrent finalement atteindre le soi-disant « îlot de stabilité ». Une région de la carte isotopique dans laquelle des combinaisons d'un certain nombre de neutrons et de protons pourraient conduire à des noyaux stables.
Hofmann dit que les scientifiques sont en fait déjà arrivés sur l'île proverbiale de la stabilité. Seulement, ils sont, pour ainsi dire, sur la plage et aimeraient aller à l'intérieur des terres. Pour ce faire, les atomes doivent être fabriqués avec plus de neutrons dans le noyau, ce qui fournirait plus de stabilité. Mais c'est difficile. Hofmann :"Nous pouvons essayer d'utiliser des projectiles avec de nombreux neutrons dans le noyau, comme l'isotope riche en neutrons Calcium-52. Mais il est très difficile de les transformer en un faisceau intense que nous pouvons tirer avec notre accélérateur."
Une carte isotopique montrant la stabilité des isotopes. Plus les barres sont hautes, plus les éléments sont stables. L'îlot proverbial de stabilité est à droite, le « promontoire » (à gauche) continue et se compose de tous les éléments stables du tableau périodique.
Des armes nucléaires aux détecteurs de fumée
Les éléments les plus lourds actuellement connus n'ont pas d'applications pratiques. Mais pourquoi chercher plus loin ? Premièrement, la recherche fondamentale sur les éléments lourds peut aussi nous apprendre des éléments plus légers pour lesquels il existe des applications. Mais peut-être trouverons-nous un jour aussi des éléments super-lourds stables et pour lesquels une application pourra être trouvée. Tout comme les éléments plutonium, curium, californium et américium qui se sont retrouvés respectivement dans les armes nucléaires, les batteries nucléaires, le monde médical et les détecteurs de fumée.
Hofmann :« Il existe des théories selon lesquelles même autour du numéro atomique 170, des noyaux atomiques pourraient encore exister. Ils auraient, contrairement à une sphère, des formes exotiques, comme un beignet ou seraient creux. Cela reste une théorie pour l'instant, mais je pense que nous devrions au moins essayer de les fabriquer."
Nouveaux éléments de chronologie
1940 Glenn Seaborg et ses collègues fabriquent pour la première fois du neptunium et du plutonium, des éléments qui ne se produisent pas naturellement.
1951 Seaborg et ses collègues reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs découvertes.
1944-1961 Au moins dix nouveaux éléments sont fabriqués dans des laboratoires américains.
1963-1975 Les Russes rejoignent la mêlée et deviennent (co-)découvreurs de quatre nouveaux éléments, 102, 105, 106 et 107.
1982- 1996 Des scientifiques découvrent les éléments 107 à 112 à Darmstadt, en Allemagne.
2004 Des scientifiques russes revendiquent la découverte des éléments 113 et 115.
2009 L'élément à 112 protons traversera désormais la vie comme un copernique.
2011 Les éléments 114 et 116 sont renommés flerovium et livermorium.
2013 Des scientifiques suédois publient des articles sur la synthèse de l'élément 115. Plus rien ne semble s'opposer à la reconnaissance officielle.
2014 Reconnaissance officielle de l'élément 117, avec le nom temporaire "Ununseptium", qui a été découvert en 2010 par des scientifiques russes et américains.
