Depuis le début du siècle, six nouveaux éléments chimiques ont été découverts et ajoutés au tableau périodique des éléments, icône même de la chimie. Ces nouveaux éléments ont un numéro atomique élevé allant jusqu'à 118 et sont nettement plus lourds que l'uranium, l'élément avec le numéro atomique le plus élevé (92) trouvé en plus grande quantité sur Terre.
Cela soulève les questions suivantes :combien d’autres espèces super-lourdes attendent d’être découvertes ? Où se trouve – le cas échéant – une limite fondamentale à la création de ces éléments ? Et quelles sont les caractéristiques de ce qu'on appelle l'îlot de stabilité renforcée ?
Dans une revue récente, des experts en chimie et physique théoriques et expérimentales des éléments les plus lourds et de leurs noyaux résument les principaux défis et offrent un nouveau regard sur les nouveaux éléments super-lourds et les limites du tableau périodique.
L'un d'eux est le professeur Christoph Düllmann du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt, de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM). Dans son numéro de février, Nature Review Physics présente le sujet comme son article de couverture.
Dès la première moitié du siècle dernier, les chercheurs se sont rendu compte que la masse des noyaux atomiques était inférieure à la masse totale de leurs constituants protons et neutrons. Cette différence de masse est responsable de l’énergie de liaison des noyaux. Un certain nombre de neutrons et de protons conduisent à une liaison plus forte et sont appelés « magiques ».
En fait, les scientifiques ont observé très tôt que les protons et les neutrons se déplaçaient dans des coquilles individuelles semblables aux coquilles électroniques, les noyaux de plomb étant les plus lourds, avec des coquilles complètement remplies contenant 82 protons et 126 neutrons, un noyau doublement magique.
Les premières prédictions théoriques suggéraient que la stabilité supplémentaire apportée par les prochains nombres « magiques », loin des noyaux connus à cette époque, pourrait conduire à des durées de vie comparables à l'âge de la Terre. Cela a conduit à l'idée d'un soi-disant îlot de stabilité de noyaux super-lourds séparé de l'uranium et de ses voisins par une mer d'instabilité.
Il existe de nombreuses représentations graphiques de l’île de stabilité, la représentant comme une île lointaine. De nombreuses décennies se sont écoulées depuis que cette image est apparue, il est donc temps de jeter un nouveau regard sur la stabilité des noyaux super-lourds et de voir où le voyage vers les limites de masse et de charge pourrait nous mener.
Dans leur récent article intitulé "La quête des éléments super-lourds et la limite du tableau périodique", les auteurs décrivent l'état actuel des connaissances et les défis les plus importants dans le domaine de ces éléments super-lourds. Ils présentent également des considérations clés pour le développement futur.
Des éléments jusqu'à l'oganesson (élément 118) ont été produits expérimentalement, nommés et inclus dans le tableau périodique des éléments dans les installations d'accélérateurs du monde entier, comme au GSI à Darmstadt et à l'avenir au FAIR, le centre international d'accélérateurs en construction à GSI. Ces nouveaux éléments sont très instables, les plus lourds se désintégrant en quelques secondes tout au plus.
Une analyse plus fine révèle que leur durée de vie augmente vers le nombre magique de neutrons 184. Dans le cas par exemple du copernicium (élément 112), découvert au GSI, la durée de vie passe de moins d'un millième de seconde à 30 secondes. Cependant, le nombre de neutrons 184 est encore loin d'être atteint, donc les 30 secondes ne sont qu'une étape sur le chemin.
Étant donné que la description théorique est encore sujette à de grandes incertitudes, il n’existe pas de consensus sur le lieu où se produiront les durées de vie les plus longues et sur leur durée. Cependant, il existe un consensus général sur le fait qu'il n'est plus possible de s'attendre à des noyaux super-lourds véritablement stables.
Cela conduit à une révision du paysage des super-lourds de deux manières importantes. D’une part, nous sommes effectivement arrivés aux rives de la région de stabilité renforcée et avons ainsi confirmé expérimentalement le concept d’îlot de stabilité renforcée. En revanche, nous ne savons pas encore quelle est la taille de cette région, pour rester dans le tableau. Quelle sera la durée de vie maximale, la hauteur des montagnes de l'île représentant généralement la stabilité, et où se produiront les durées de vie les plus longues ?
La Nature examine la physique L'article traite de divers aspects de la théorie pertinente de la structure nucléaire et électronique, y compris la synthèse et la détection de noyaux et d'atomes super-lourds en laboratoire ou lors d'événements astrophysiques, leur structure et leur stabilité, ainsi que l'emplacement des éléments super-lourds actuels et prévus dans le tableau périodique.
L'étude détaillée des éléments super-lourds reste un pilier important du programme de recherche du GSI Darmstadt, soutenu par l'infrastructure et l'expertise de l'HIM et de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, formant un cadre unique pour de telles études.
Au cours de la dernière décennie, plusieurs résultats révolutionnaires ont été obtenus, notamment des études détaillées de leur production, qui ont conduit à la confirmation de l'élément 117 et à la découverte de l'isotope lawrencium-266 à vie relativement longue, de leur structure nucléaire par diverses techniques expérimentales. , de la structure de leurs coquilles atomiques ainsi que de leurs propriétés chimiques, où le flérovium (élément 114) représente l'élément le plus lourd pour lequel des données chimiques existent.
Des calculs sur la production dans le cosmos, notamment lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, observée expérimentalement pour la première fois en 2017, complètent le portefeuille de recherche. À l'avenir, l'étude des éléments super-lourds pourrait être encore plus efficace grâce au nouvel accélérateur linéaire HELIAC, dont le premier module a été récemment assemblé à l'HIM puis testé avec succès à Darmstadt, de sorte que des études encore plus exotiques et donc probablement plus longues Les noyaux à vie seront également réalisables expérimentalement.
Un aperçu des découvertes d'éléments et des premières études chimiques au GSI peut être trouvé dans l'article « Cinq décennies de découvertes d'éléments superlourds et d'investigation chimique du GSI », publié en mai 2022 dans Radiochimica Acta. .
Plus d'informations : Odile R. Smits et al, La quête des éléments super-lourds et la limite du tableau périodique, Nature Reviews Physics (2023). DOI :10.1038/s42254-023-00668-y
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
