Quatre nouveaux éléments viennent d’être ajoutés au tableau périodique complétant la septième ligne du tableau. Mais bien que les éléments 113, 115 et 118 aient tous été découverts au début des années 2000 et 117 en 2010, il n’y a toujours aucun signe d’éléments 119 et au-delà. Pourquoi personne n’a-t-il prétendu avoir créé l’un de ces nouveaux poids en surcharge et quand les chimistes pourront-ils commencer une huitième ligne sur le tableau périodique?
Joint Institute for Nuclear Research
Les accélérateurs de particules créent de nouveaux éléments en bombardant une cible d’éléments lourds avec un briquet fortement accéléré
Depuis qu’Edwin McMillan et Philip Abelson ont synthétisé le premier élément transuranium neptunium en 1940, un flux constant de nouveaux éléments a rempli le lignes inférieures du tableau périodique. Chaque fois qu’un groupe prétend avoir synthétisé un nouvel élément, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (Uicpa) doit peser les preuves présentées. Généralement, la revendication de la première synthèse d’un nouvel élément surchauffé survient plusieurs années avant que suffisamment de preuves ne soient rassemblées pour obtenir l’approbation de l’Iupac. C’est ce qui rend surprenante l’absence de toute revendication sur la création de l’élément 119 ou au-delà. Mais bien qu’aucun groupe n’ait encore prétendu avoir créé un élément qui appartient à la huitième ligne du tableau périodique, ce n’est pas par manque d’efforts.
Pour créer un nouvel élément, une cible d’élément lourd est bombardée de projectiles d’élément plus légers fortement accélérés. Dès 2007, des chercheurs de l’Institut Commun de Recherche nucléaire (JINR) à Dubna, en Russie, et du Centre Helmholtz de Recherche sur les ions lourds (GSI) à Darmstadt, en Allemagne, ont tenté de synthétiser le unbinilium ou l’élément 120 en bombardant respectivement du plutonium avec du fer et de l’uranium avec du nickel. Cependant, les deux équipes n’ont observé qu’un assortiment de noyaux et de particules plus légers. Pour que les scientifiques soient sûrs d’avoir réellement créé un nouvel élément, ils doivent suivre les chaînes de désintégration emblématiques du nouvel élément, explique James Roberto, directeur de laboratoire associé au Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) aux États-Unis.
Cibler de nouvelles technologies
Le tir de projectiles de calcium sur une cible d’actinides très lourde a bien fonctionné pour la production des éléments 114 à 118, mais pour des éléments encore plus lourds, la probabilité de créer un nouvel élément de cette façon diminue. Une solution apparemment simple serait de tirer des projectiles plus nombreux et plus lourds sur la cible.
Laboratoire national d’Oak Ridge
Il a fallu plus de deux ans aux chercheurs pour produire une petite quantité de berkélium utilisée pour fabriquer l’élément 117
Les accélérateurs actuels ont atteint la cible avec environ 1012 projectiles chaque seconde. Mais « frapper la cible avec un nombre encore plus élevé de projectiles brûlerait en réalité la cible », explique le physicien de l’ORNL Krzysztof Rykaczewski. Et vous pouvez aussi brûler votre détecteur. Nous avons besoin d’une meilleure technologie pour éviter cela. Vous pouvez également agrandir la cible et étendre le faisceau du projectile sur sa plus grande surface « , ajoute–t-il, mais il n’est pas facile de fabriquer ces cibles d’actinides. La synthèse des 20 mg de berkélium utilisés pour produire l’élément 117 a pris plus de deux ans. L’usine d’éléments surchauffés en cours de construction à Dubna aura des capacités de détection améliorées et sera capable de générer des faisceaux avec des intensités nettement plus élevées, mais « des percées supplémentaires seront nécessaires pour continuer au-delà de l’élément 120 », explique Roberto.
Cependant, les chercheurs restent positifs. « D’ici une génération, nous atteindrons probablement l’élément 124 « , spécule Rykaczewski. Eric Scerri, historien de la chimie à l’Université de Californie à Los Angeles, aux États-Unis, est du même avis: « Il y a quinze ans, il était inconcevable que quelqu’un aille aussi loin que nous. »La recherche de nouveaux éléments, ajoute-t-il, a été et sera le moteur du développement technologique.
Une idée pour surmonter les limites des techniques actuelles de synthèse d’éléments lourds est d’induire des réactions de transfert nucléaire. Si vous avez tiré de l’uranium sur une cible d’uranium, les noyaux ne fusionneront jamais, explique Christoph Düllmann, chercheur au GSI. Mais les noyaux en collision peuvent échanger des protons et des neutrons lorsqu’ils entrent en collision. « Dans certains cas, cela pourrait conduire à un produit contenant, par exemple, 120 protons », explique Düllmann. « Cela peut être un chemin pour accéder aux isotopes qui ne sont pas accessibles par des réactions de fusion.’
Repousser les limites
La durée de vie très limitée de la plupart des éléments surchauffés empêche leur utilisation dans des applications réelles. Les étudier, cependant, teste la compréhension des scientifiques du noyau atomique. « Si vous souhaitez tester une voiture que vous envisagez d’acheter, vous ne devez pas simplement faire deux tours sur le parking, mais la tester dans des conditions difficiles », explique Rykaczewski. De même, tester des modèles nucléaires dans des conditions extrêmes aide les chercheurs à choisir ceux qui font les meilleures prédictions.
Laboratoire national d’Oak Ridge, Enrico Sacchetti
Les réacteurs nucléaires créent les matériaux de départ que les chercheurs utilisent dans leur recherche de nouveaux éléments
Les calculs sont flous sur la taille exacte du tableau périodique. Le physicien Richard Feynman a prédit que l’élément 137 était la limite. « Le calcul est simplement basé sur la théorie de la relativité d’Einstein », explique Scerri. Lorsque les noyaux atomiques deviennent de plus en plus gros, les électrons doivent aller de plus en plus vite. Une fois que vous atteignez une certaine taille, les calculs prédisent que les électrons doivent aller plus vite que la vitesse d’une lumière – une impossibilité physique. D’autres calculs prédisent que cela se produira beaucoup plus tard, cependant, autour de l’élément 170.
Alors que les quatre derniers ajouts au tableau périodique sont hautement radioactifs et se désintègrent en moins d’une minute, les scientifiques s’attendent à trouver un îlot de stabilité centré autour des éléments 120, 124 ou 126. Les nombres » magiques » de protons et de neutrons de ces éléments correspondent à des coquilles nucléaires remplies. Tout comme les enveloppes d’électrons de valence entièrement remplies rendent des éléments tels que les gaz nobles chimiquement inertes, les enveloppes de neutrons ou de protons remplies augmentent la stabilité du noyau.
Les chercheurs espèrent que les isotopes doublement magiques de l’unbinilium ou de l’unbihexium (élément 126), contenant à la fois un nombre magique de protons et un nombre magique de neutrons, seraient encore plus longs que leurs autres isotopes – bien que les estimations de demi-vie varient énormément de quelques microsecondes à des millions d’années. Les chercheurs ont déjà constaté une stabilité croissante des éléments surchauffés connus lorsqu’ils se trouvent dans des isotopes dont le nombre de neutrons est plus proche du magic 184. « Le saint graal de la synthèse d’éléments surchauffés est d’atteindre ce nombre de neutrons », explique Düllmann. « Mais le problème est que nous n’avons actuellement pas deux noyaux qui nous donneront un élément surchauffé qui contient également autant de neutrons.’