À l'approche du 150e anniversaire de la formulation du tableau périodique des éléments chimiques, un professeur de la Michigan State University sonde les limites de la table dans un récent Perspective de la physique de la nature .

L'année prochaine marquera le 150e anniversaire de la formulation du tableau périodique créé par Dmitry Mendeleev. Par conséquent, les Nations Unies ont proclamé 2019 Année internationale du tableau périodique des éléments chimiques (IYPT 2019). A 150 ans, la table s'agrandit encore. En 2016, quatre nouveaux éléments s'y sont ajoutés :nihonium, Moscou, tennessine, et oganesson. Leurs numéros atomiques - le nombre de protons dans le noyau qui détermine leurs propriétés chimiques et leur place dans le tableau périodique - sont 113, 115, 117, et 118, respectivement.

Il a fallu une décennie et des efforts mondiaux pour confirmer ces quatre derniers éléments. Et maintenant les scientifiques se demandent :jusqu'où peut aller ce tableau ? Certaines réponses peuvent être trouvées dans un récent Perspective de la physique de la nature par Witek Nazarewicz, Hannah Professeur émérite de physique à la MSU et scientifique en chef à la Facilité pour les faisceaux d'isotopes rares.

Tous les éléments avec plus de 104 protons sont étiquetés comme "superlourds", et font partie d'un vaste, terre totalement inconnue que les scientifiques tentent de découvrir. Il est prédit que des atomes contenant jusqu'à 172 protons peuvent physiquement former un noyau lié par la force nucléaire. Cette force est ce qui empêche sa désintégration, mais seulement pendant quelques fractions de seconde.

Ces noyaux fabriqués en laboratoire sont très instables, et se désintègrent spontanément peu de temps après leur formation. Pour les plus lourds que l'oganesson, cela peut être si rapide que cela les empêche d'avoir suffisamment de temps pour attirer et capturer un électron pour former un atome. Ils passeront toute leur vie en tant que congrégations de protons et de neutrons.

Si c'est le cas, cela remettrait en cause la façon dont les scientifiques d'aujourd'hui définissent et comprennent les "atomes". Ils ne peuvent plus être décrits comme un noyau central avec des électrons en orbite un peu comme les planètes en orbite autour du soleil.

Et quant à savoir si ces noyaux peuvent se former, c'est encore un mystère.

Les scientifiques rampent lentement mais sûrement dans cette région, synthétiser élément par élément, ne sachant pas à quoi ils ressembleront, ou où sera la fin. La recherche de l'élément 119 se poursuit dans plusieurs laboratoires, principalement à l'Institut commun de recherche nucléaire en Russie, chez GSI en Allemagne, et RIKEN au Japon.

"La théorie nucléaire n'a pas la capacité de prédire de manière fiable les conditions optimales nécessaires pour les synthétiser, vous devez donc faire des suppositions et mener des expériences de fusion jusqu'à ce que vous trouviez quelque chose. De cette façon, tu pourrais courir pendant des années, " a déclaré Nazarewicz.

Bien que la nouvelle installation de faisceaux d'isotopes rares de MSU ne produise pas ces systèmes superlourds, au moins dans sa conception actuelle, cela pourrait faire la lumière sur les réactions qui pourraient être utilisées, repousser les limites des méthodes expérimentales actuelles. Si l'élément 119 est confirmé, il ajoutera une huitième période au tableau périodique. Ceci a été capturé par le haïku Élémentaire de Mary Soon Lee :Le rideau se lèvera-t-il ?/ Allez-vous ouvrir le huitième acte ?/ Revendiquer le devant de la scène ?

Nazarewicz a déclaré que la découverte n'était peut-être pas si lointaine :"Bientôt. Peut-être maintenant, ou dans deux à trois ans. Nous ne savons pas. Les expérimentations sont en cours."

Une autre question passionnante demeure. Des noyaux super-lourds peuvent-ils être produits dans l'espace ? On pense que ceux-ci peuvent être réalisés dans des fusions d'étoiles à neutrons, une collision stellaire si puissante qu'elle ébranle littéralement le tissu même de l'univers. Dans des environnements stellaires comme celui-ci où les neutrons sont abondants, un noyau peut fusionner avec de plus en plus de neutrons pour former un isotope plus lourd. Il aurait le même nombre de protons, et est donc le même élément, mais plus lourd. Le défi ici est que les noyaux lourds sont si instables qu'ils se décomposent bien avant d'ajouter plus de neutrons et de former ces noyaux superlourds. Cela entrave leur production en étoiles. L'espoir est que grâce à des simulations avancées, les scientifiques pourront "voir" ces noyaux insaisissables à travers les modèles observés des éléments synthétisés.

Au fur et à mesure que les capacités expérimentales progressent, les scientifiques poursuivront ces éléments plus lourds à ajouter au tableau remodelé. En attendant, ils ne peuvent que se demander quelles applications fascinantes ces systèmes exotiques auront.

"Nous ne savons pas à quoi ils ressemblent, et c'est le défi", dit Nazarewicz. "Mais ce que nous avons appris jusqu'à présent pourrait signifier la fin du tableau périodique tel que nous le connaissons."

MSU établit FRIB en tant que nouvelle installation d'utilisateurs scientifiques pour l'Office of Nuclear Physics du U.S. Department of Energy Office of Science. En construction sur le campus et exploité par MSU, Le FRIB permettra aux scientifiques de faire des découvertes sur les propriétés des isotopes rares afin de mieux comprendre la physique des noyaux, l'astrophysique nucléaire, interactions fondamentales, et applications pour la société, y compris en médecine, la sécurité intérieure et l'industrie.