Le lauréat du prix Nobel Otto Hahn est crédité de la découverte de la fission nucléaire. La fission est l'une des découvertes les plus importantes du XXe siècle, mais Hahn considérait autre chose comme son meilleur travail scientifique.

En 1921, alors qu'il étudiait la radioactivité à l'Institut de chimie Kaiser Wilhelm à Berlin, en Allemagne, il remarqua quelque chose qu'il ne put expliquer. L'un des éléments avec lesquels il travaillait ne se comportait pas comme il aurait dû. Hahn avait découvert sans le savoir le premier isomère nucléaire, un noyau atomique dont les protons et les neutrons sont disposés différemment de la forme commune de l'élément, ce qui lui confère des propriétés inhabituelles. Il a fallu encore 15 ans de découvertes en physique nucléaire pour pouvoir expliquer les observations de Hahn.

Nous sommes deux professeurs de physique nucléaire qui étudions les noyaux rares dont les isomères nucléaires.

L'endroit le plus courant pour trouver des isomères est à l'intérieur des étoiles, où ils jouent un rôle dans les réactions nucléaires qui créent de nouveaux éléments. Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à explorer comment les isomères peuvent être utilisés au profit de l'humanité. Ils sont déjà utilisés en médecine et pourraient un jour offrir de puissantes options de stockage d'énergie sous la forme de batteries nucléaires.

À la recherche d'isotopes radioactifs

Au début des années 1900, les scientifiques étaient à la recherche de nouveaux éléments radioactifs. Un élément est considéré comme radioactif s'il libère spontanément des particules dans un processus appelé désintégration radioactive. Lorsque cela se produit, l'élément se transforme au fil du temps en un élément différent.

A cette époque, les scientifiques s'appuyaient sur trois critères pour découvrir et décrire un nouvel élément radioactif. L'une consistait à examiner les propriétés chimiques, c'est-à-dire la façon dont le nouvel élément réagit avec d'autres substances. Ils ont également mesuré le type et l'énergie des particules libérées lors de la désintégration radioactive. Enfin, ils mesuraient à quelle vitesse un élément se décomposait. Les vitesses de désintégration sont décrites à l'aide du terme demi-vie, qui correspond au temps nécessaire à la moitié de l'élément radioactif initial pour se désintégrer en autre chose.

Dans les années 1920, les physiciens avaient découvert certaines substances radioactives avec des propriétés chimiques identiques mais des demi-vies différentes. Ceux-ci sont appelés isotopes. Les isotopes sont différentes versions du même élément qui ont le même nombre de protons dans leur noyau, mais des nombres différents de neutrons.

L'uranium est un élément radioactif avec de nombreux isotopes, dont deux se produisent naturellement sur Terre. Ces isotopes naturels de l'uranium se désintègrent en l'élément thorium, qui à son tour se désintègre en protactinium, et chacun a ses propres isotopes. Hahn et sa collègue Lise Meitner ont été les premiers à découvrir et à identifier de nombreux isotopes différents provenant de la désintégration de l'élément uranium.

Tous les isotopes qu'ils ont étudiés se sont comportés comme prévu, sauf un. Cet isotope semblait avoir les mêmes propriétés que l'un des autres, mais sa demi-vie était plus longue. Cela n'avait aucun sens, car Hahn et Meitner avaient placé tous les isotopes connus de l'uranium dans une classification soignée, et il n'y avait pas d'espaces vides pour accueillir un nouvel isotope. Ils ont appelé cette substance "l'uranium Z".

Le signal radioactif de l'uranium Z était environ 500 fois plus faible que la radioactivité des autres isotopes de l'échantillon, alors Hahn a décidé de confirmer ses observations en utilisant plus de matériel. Il a acheté et séparé chimiquement de l'uranium à partir de 220 livres (100 kilogrammes) de sel d'uranium hautement toxique et rare. Le résultat surprenant de cette deuxième expérience plus précise suggérait que le mystérieux uranium Z, maintenant connu sous le nom de protactinium-234, était un isotope déjà connu, mais avec une demi-vie très différente. C'était le premier cas d'un isotope avec deux demi-vies différentes. Hahn a publié sa découverte du premier isomère nucléaire, même s'il ne pouvait pas l'expliquer complètement.

Les neutrons complètent l'histoire

Au moment des expériences de Hahn dans les années 1920, les scientifiques considéraient encore les atomes comme un amas de protons entouré d'un nombre égal d'électrons. Ce n'est qu'en 1932 que James Chadwick suggéra qu'une troisième particule, les neutrons, faisait également partie du noyau.

Grâce à ces nouvelles informations, les physiciens ont pu immédiatement expliquer les isotopes :ce sont des noyaux avec le même nombre de protons et un nombre différent de neutrons. Forte de ces connaissances, la communauté scientifique disposait enfin des outils pour comprendre l'uranium Z.

En 1936, Carl Friedrich von Weizsäcker a proposé que deux substances différentes puissent avoir le même nombre de protons et de neutrons dans leurs noyaux mais dans des arrangements différents et avec des demi-vies différentes. L'arrangement des protons et des neutrons qui donne l'énergie la plus faible est le matériau le plus stable et est appelé état fondamental. Les arrangements résultant en des énergies moins stables et plus élevées d'un isotope sont appelés états isomères.

Au début, les isomères nucléaires n'étaient utiles dans la communauté scientifique que comme moyen de comprendre le comportement des noyaux. Mais une fois que vous avez compris les propriétés d'un isomère, il est possible de commencer à se demander comment il peut être utilisé.

Isomères en médecine et en astronomie

Les isomères ont des applications importantes en médecine et sont utilisés chaque année dans des dizaines de millions de procédures de diagnostic. Étant donné que les isomères subissent une désintégration radioactive, des caméras spéciales peuvent les suivre lorsqu'ils se déplacent dans le corps.

Par exemple, le technétium-99m est un isomère du technétium-99. Lorsque l'isomère se désintègre, il émet des photons. À l'aide de détecteurs de photons, les médecins peuvent suivre la façon dont le technétium-99m se déplace dans tout le corps et créer des images du cœur, du cerveau, des poumons et d'autres organes critiques pour aider à diagnostiquer des maladies telles que le cancer. Les éléments radioactifs et les isotopes sont normalement dangereux car ils émettent des particules chargées qui endommagent les tissus corporels. Les isomères comme le technétium sont sans danger pour un usage médical car ils n'émettent qu'un seul photon inoffensif à la fois et rien d'autre lorsqu'ils se désintègrent.

Les isomères sont également importants en astronomie et en astrophysique. Les étoiles sont alimentées par l'énergie libérée lors des réactions nucléaires. Étant donné que les isomères sont présents dans les étoiles, les réactions nucléaires sont différentes de celles si un matériau était dans son état fondamental. Cela rend l'étude des isomères essentielle pour comprendre comment les étoiles produisent tous les éléments de l'univers.

Les isomères du futur

Un siècle après que Hahn ait découvert les isomères pour la première fois, les scientifiques découvrent encore de nouveaux isomères en utilisant de puissantes installations de recherche dans le monde entier, notamment la Facility for Rare Isotope Beams de la Michigan State University. Cette installation a été mise en ligne en mai 2022 et nous espérons qu'elle débloquera plus de 1 000 nouveaux isotopes et isomères.

Les scientifiques étudient également si les isomères nucléaires pourraient être utilisés pour construire l'horloge la plus précise du monde ou si les isomères pourraient un jour être la base de la prochaine génération de batteries. Plus de 100 ans après la détection d'une petite anomalie dans le sel d'uranium, les scientifiques sont toujours à la recherche de nouveaux isomères et commencent à peine à révéler tout le potentiel de ces éléments de physique fascinants. + Explorer plus loin

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Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.