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Science

Zoom sur les nouveaux éléments superlourds

Par Marine Corniou - 05/12/2016
-Quatre nouveaux éléments chimiques ont fait leur entrée dans le tableau périodique de Mendeleïev en 2016: les éléments 113, 115, 117 et 118. La septième ligne du tableau, sur laquelle il restait des blancs, est donc désormais complète.
 
Le noyau des atomes est composé d'un nombre variable de protons et de neutrons (le numéro atomique, par lequel on désigne les atomes dans le tableau périodique, correspond au nombre de protons du noyau). L'uranium est l'élément naturel le plus lourd, son noyau possédant 92 protons. L'élément le plus lourd synthétisé à ce jour possède 118 protons, c'est l'oganesson. Il fait partie des éléments "transuraniens", ce qui signifie littéralement au-delà de l'uranium.


Comment sont obtenus ces éléments?

Appartenant à la catégorie des atomes "superlourds" (comportant plus de 104 protons), ces 4 nouveaux éléments n'existent pas dans la nature. Par le passé, ils ont été recherchés en vain dans des météorites ou même dans des roches lunaires.

En fait, ils ont été obtenus en faisant fusionner deux atomes plus légers (par exemple le calcium et l'américium pour former le moscovium, qui a 115 protons). Pour obtenir le 117, les scientifiques ont ciblé du berkélium avec des projectiles de calcium.

Le défi est grand: les protons sont chargés positivement et ils se repoussent entre eux (ce qu'on appelle la répulsion coulombienne). Dans les petits atomes, cette répulsion est compensée par d'autres forces (l'interaction entre les nucléons, ou force nucléaire). Mais lorsque le nombre de protons dépasse 110, la répulsion coulombienne prend le dessus.

Pour que la fusion des noyaux opère malgré cela, il faut bombarder des atomes fixes avec des ions lourds (comme le calcium) dans des accélérateurs à haute énergie, ou cyclotrons.

La formation de tels éléments est un événement rarissime (moins de un cas sur un million): le plus souvent, les atomes "rebondissent" les uns sur les autres sans que leurs noyaux fusionnent. À titre d'exemple, trouver une poignée d'atomes de l'élément 113 (nihonium), en fusionnant bismuth et zinc, a nécéssité 10 ans de travail à l'équipe du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science au Japon...

Comment sait-on qu'on les a créés?

Là où les choses se compliquent, c'est que ces éléments superlourds, lorsqu'ils se forment, sont très instables. Ils se désintègrent presque instantanément, leur durée de vie n'étant que de quelques nanosecondes généralement.

Les scientifiques étudient donc leur "schéma" de désintégration pour les identifier: ils se désintègrent soit en éjectant des particules (rayons gamma et neutrons) soit en fissionnant (en se fragmentant) en éléments plus légers que les chercheurs peuvent détecter.

Reste que du fait de leur instabilité, ils sont très difficiles à étudier et à caractériser chimiquement.

Jusqu'où les scientifiques peuvent-ils aller?

Jusqu'ici, l'élément le plus lourd jamais obtenu est le 118. La course est maintenant lancée pour la découverte des éléments 119 et 120. Les prédictions varient quant au maximum qu'il est possible d'atteindre.

Si l'on se fie aux modèles théoriques, il semble qu'au-delà de 120 protons, il existe un "îlot de stabilité", une zone où des noyaux lourds, riches en neutrons, pourraient exister avec de longues demi-vies (jusqu'à plusieurs millions d'années). Ils seraient donc plus faciles à étudier.

Cela étant, plus le nombre de protons augmente dans le noyau, plus il est difficile pour les électrons qui gravitent autour de rester en gravitation, justement. Le risque est grand qu'ils soient attirés par le noyau et s'y écrasent: impossible alors pour l'atome d'exister.

La question qui tue: à quoi ça sert?

C'est de la recherche fondamentale. Ces études aux confins de la matière permettent d’explorer des états dont les scientifiques ne connaissent ni les limites ni les propriétés. Ces éléments superlourds permettent d'étudier la structure des atomes et les forces nucléaires dans un contexte de répulsion coulombienne forte, et d'étudier les caractéristiques des électrons (leurs orbitales) dans de telles conditions.

"Ces noyaux fascinent aussi les physiciens parce qu'ils ne semblent pas pouvoir être synthétisés lors de la nucléosynthèse qui se produit dans les étoiles", note dans un article Paul-Henri Heenen, de la Faculté des Sciences de l'Université libre de Bruxelles.

Bref, c'est un défi scientifique et c'est aussi une façon de mieux comprendre la matière.

Image: représentation schématique d'un atome, Wikicommons

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