Élément superlourd - Superheavy element

Éléments transactinides
du tableau périodique
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson
Z  ≥ 104 (Rf)

Les éléments superlourds , également connus sous le nom d' éléments transactinides , transactinides ou éléments superlourds , sont les éléments chimiques dont le numéro atomique est supérieur à 103. Les éléments superlourds sont immédiatement au-delà des actinides dans le tableau périodique ; l'actinide le plus lourd est le lawrencium (numéro atomique 103). Par définition, les éléments superlourds sont également des éléments transuraniens , c'est-à-dire ayant un numéro atomique supérieur à celui de l' uranium (92).

Glenn T. Seaborg a d' abord proposé le concept des actinides , qui a conduit à l'acceptation de la série des actinides . Il a également proposé une série de transactinides allant de l'élément 104 à 121 et une série de superactinide couvrant approximativement les éléments 122 à 153 (bien que des travaux plus récents suggèrent que la fin de la série de superactinide se produise à la place à l'élément 157). Le transactinide seaborgium a été nommé en son honneur.

Les éléments superlourds sont radioactifs et n'ont été obtenus que synthétiquement en laboratoire. Aucun de ces éléments n'a jamais été collecté dans un échantillon macroscopique. Les éléments superlourds sont tous nommés d'après des physiciens et des chimistes ou des lieux importants impliqués dans la synthèse des éléments.

L'IUPAC définit un élément comme existant si sa durée de vie est supérieure à 10 -14 secondes, c'est-à-dire le temps qu'il faut au noyau pour former un nuage d'électrons.

Les éléments superlourds connus font partie des séries 6d et 7p du tableau périodique. À l'exception du rutherfordium et du dubnium , même les isotopes les plus durables des éléments superlourds ont une demi-vie courte de quelques minutes ou moins. La controverse sur la dénomination des éléments impliquait les éléments 102 à 109. Certains de ces éléments ont ainsi utilisé des noms systématiques pendant de nombreuses années après que leur découverte eut été confirmée. (Habituellement, les noms systématiques sont remplacés par des noms permanents proposés par les découvreurs relativement peu de temps après la confirmation d'une découverte.)

introduction

Synthèse des noyaux superlourds

Une représentation graphique d'une réaction de fusion nucléaire
Une représentation graphique d'une réaction de fusion nucléaire . Deux noyaux fusionnent en un seul, émettant un neutron . Les réactions qui ont créé de nouveaux éléments à ce moment étaient similaires, avec la seule différence possible que plusieurs neutrons singuliers étaient parfois libérés, voire aucun.

Un noyau atomique superlourd est créé dans une réaction nucléaire qui combine deux autres noyaux de taille inégale en un seul; grosso modo, plus les deux noyaux sont inégaux en termes de masse, plus grande est la possibilité que les deux réagissent. Le matériau constitué des noyaux les plus lourds est transformé en une cible, qui est ensuite bombardée par le faisceau de noyaux plus légers. Deux noyaux ne peuvent fusionner en un seul que s'ils se rapprochent suffisamment l'un de l'autre ; normalement, les noyaux (tous chargés positivement) se repoussent en raison de la répulsion électrostatique . L' interaction forte peut vaincre cette répulsion mais seulement à très faible distance d'un noyau ; les noyaux du faisceau sont ainsi fortement accélérés afin de rendre une telle répulsion insignifiante par rapport à la vitesse du noyau du faisceau. L'énergie appliquée aux noyaux du faisceau pour les accélérer peut les amener à atteindre des vitesses aussi élevées qu'un dixième de la vitesse de la lumière . Cependant, si trop d'énergie est appliquée, le noyau du faisceau peut se désagréger.

Se rapprocher suffisamment seul ne suffit pas pour que deux noyaux fusionnent : lorsque deux noyaux se rapprochent, ils restent généralement ensemble pendant environ 10 à 20  secondes, puis se séparent (pas nécessairement dans la même composition qu'avant la réaction) plutôt que de former un noyau unique. Cela se produit parce que lors de la tentative de formation d'un seul noyau, la répulsion électrostatique déchire le noyau en cours de formation. Chaque paire d'une cible et d'un faisceau est caractérisée par sa section efficace - la probabilité que la fusion se produise si deux noyaux se rapprochent, exprimée en termes de surface transversale que la particule incidente doit toucher pour que la fusion se produise. Cette fusion peut se produire en raison de l'effet quantique dans lequel les noyaux peuvent créer un tunnel par répulsion électrostatique. Si les deux noyaux peuvent rester proches au-delà de cette phase, de multiples interactions nucléaires entraînent une redistribution de l'énergie et un équilibre énergétique.

Vidéo externe
icône vidéo Visualisation d'une fusion nucléaire infructueuse, basée sur des calculs de l' Australian National University

La fusion résultante est un état excité - appelé noyau composé - et donc très instable. Pour atteindre un état plus stable, la fusion temporaire peut se scinder sans formation d'un noyau plus stable. Alternativement, le noyau composé peut éjecter quelques neutrons , qui emporteraient l'énergie d'excitation ; si cette dernière n'est pas suffisante pour une expulsion de neutrons, la fusion produirait un rayon gamma . Cela se produit environ 10 à 16  secondes après la collision nucléaire initiale et entraîne la création d'un noyau plus stable. La définition du groupe de travail conjoint IUPAC/IUPAP (JWP) stipule qu'un élément chimique ne peut être reconnu comme découvert que si un noyau de celui-ci ne s'est pas désintégré dans les 10 -14 secondes. Cette valeur a été choisie comme une estimation du temps qu'il faut à un noyau pour acquérir ses électrons externes et ainsi afficher ses propriétés chimiques.

Pourriture et détection

Le faisceau traverse la cible et atteint la chambre suivante, le séparateur ; si un nouveau noyau est produit, il est transporté avec ce faisceau. Dans le séparateur, le noyau nouvellement produit est séparé des autres nucléides (celui du faisceau d'origine et de tout autre produit de réaction) et transféré vers un détecteur à barrière de surface , qui arrête le noyau. L'emplacement exact de l'impact à venir sur le détecteur est marqué ; également marqués sont son énergie et l'heure de l'arrivée. Le transfert prend environ 10 -6  secondes ; pour être détecté, le noyau doit survivre aussi longtemps. Le noyau est enregistré à nouveau une fois sa désintégration enregistrée, et l'emplacement, l' énergie et le temps de désintégration sont mesurés.

La stabilité du noyau est assurée par l'interaction forte. Cependant, sa portée est très courte ; à mesure que les noyaux deviennent plus gros, son influence sur les nucléons les plus externes ( protons et neutrons) s'affaiblit. Dans le même temps, le noyau est déchiré par la répulsion électrostatique entre les protons, et sa portée n'est pas limitée. L' énergie totale de liaison fournie par l'interaction forte augmente linéairement avec le nombre de nucléons, tandis que la répulsion électrostatique augmente avec le carré du numéro atomique, c'est-à-dire que ce dernier croît plus vite et devient de plus en plus important pour les noyaux lourds et superlourds. Les noyaux superlourds sont donc théoriquement prédits et on a jusqu'à présent observé qu'ils se désintègrent principalement via des modes de désintégration provoqués par une telle répulsion : désintégration alpha et fission spontanée . Presque tous les émetteurs alpha ont plus de 210 nucléons, et le nucléide le plus léger subissant principalement une fission spontanée en a 238. Dans les deux modes de désintégration, les noyaux sont empêchés de se désintégrer par des barrières énergétiques correspondantes pour chaque mode, mais ils peuvent être traversés par tunnel.

Appareil pour la création d'éléments superlourds
Schéma d'un appareil de création d'éléments superlourds, basé sur le séparateur à recul rempli de gaz Dubna mis en place dans le laboratoire Flerov des réactions nucléaires de l'INJR. La trajectoire à l'intérieur du détecteur et de l'appareil de focalisation du faisceau change en raison d'un aimant dipolaire dans le premier et d' aimants quadripolaires dans le second.

Les particules alpha sont généralement produites dans les désintégrations radioactives car la masse d'une particule alpha par nucléon est suffisamment petite pour laisser une certaine énergie à la particule alpha à utiliser comme énergie cinétique pour quitter le noyau. La fission spontanée est causée par la répulsion électrostatique qui déchire le noyau et produit divers noyaux dans différents cas de fission de noyaux identiques. Au fur et à mesure que le numéro atomique augmente, la fission spontanée devient rapidement plus importante : les demi-vies partielles de la fission spontanée diminuent de 23 ordres de grandeur de l' uranium (élément 92) au nobélium (élément 102), et de 30 ordres de grandeur à partir du thorium (élément 90) au fermium (élément 100). Le modèle de goutte liquide antérieur suggérait donc que la fission spontanée se produirait presque instantanément en raison de la disparition de la barrière de fission pour les noyaux d'environ 280 nucléons. Le modèle de coquille nucléaire plus récent a suggéré que les noyaux avec environ 300 nucléons formeraient un îlot de stabilité dans lequel les noyaux seraient plus résistants à la fission spontanée et subiraient principalement une désintégration alpha avec des demi-vies plus longues. Des découvertes ultérieures ont suggéré que l'île prévue pourrait être plus éloignée que prévu initialement; ils ont également montré que les noyaux intermédiaires entre les actinides à vie longue et l'île prédite sont déformés et gagnent en stabilité grâce aux effets de coque. Des expériences sur des noyaux superlourds plus légers, ainsi que ceux plus proches de l'île attendue, ont montré une stabilité plus grande que prévu contre la fission spontanée, montrant l'importance des effets de coque sur les noyaux.

Les désintégrations alpha sont enregistrées par les particules alpha émises, et les produits de désintégration sont faciles à déterminer avant la désintégration réelle ; si une telle désintégration ou une série de désintégrations consécutives produit un noyau connu, le produit original d'une réaction peut être facilement déterminé. (Le fait que toutes les désintégrations au sein d'une chaîne de désintégration étaient en effet liées les unes aux autres est établi par l'emplacement de ces désintégrations, qui doit être au même endroit.) Le noyau connu peut être reconnu par les caractéristiques spécifiques de la désintégration qu'il subit, telles que l'énergie de désintégration. (ou plus précisément, l' énergie cinétique de la particule émise). La fission spontanée, cependant, produit divers noyaux en tant que produits, de sorte que le nucléide d'origine ne peut pas être déterminé à partir de ses filles.

Les informations dont disposent les physiciens visant à synthétiser un élément superlourd sont donc les informations collectées au niveau des détecteurs : localisation, énergie et heure d'arrivée d'une particule au détecteur, et celles de sa désintégration. Les physiciens analysent ces données et cherchent à conclure qu'elles ont bien été causées par un nouvel élément et ne pouvaient pas avoir été causées par un nucléide différent de celui revendiqué. Souvent, les données fournies sont insuffisantes pour conclure qu'un nouvel élément a été définitivement créé et il n'y a pas d'autre explication pour les effets observés ; des erreurs d'interprétation des données ont été commises.

Histoire

Prédictions précoces

L'élément le plus lourd connu à la fin du 19ème siècle était l'uranium, avec une masse atomique d'environ 240 (maintenant connue pour être 238)  amu . En conséquence, il a été placé dans la dernière ligne du tableau périodique; cela a alimenté les spéculations sur l'existence possible d' éléments plus lourds que l'uranium et pourquoi A  = 240 semblait être la limite. Suite à la découverte des gaz rares , à commencer par celle de l' argon en 1895, la possibilité de membres plus lourds du groupe a été envisagée. Le chimiste danois Julius Thomsen a proposé en 1895 l'existence d'un sixième gaz noble avec Z  = 86, A  = 212 et un septième avec Z  = 118, A  = 292, le dernier clôturant une période de 32 éléments contenant du thorium et de l'uranium. En 1913, le physicien suédois Johannes Rydberg a étendu l'extrapolation de Thomsen du tableau périodique pour inclure des éléments encore plus lourds avec des numéros atomiques jusqu'à 460, mais il ne croyait pas que ces éléments superlourds existaient ou se produisaient dans la nature.

En 1914, le physicien allemand Richard Swinne a proposé que des éléments plus lourds que l'uranium, tels que ceux autour de Z  = 108, puissent être trouvés dans les rayons cosmiques . Il a suggéré que ces éléments peuvent ne pas nécessairement avoir des demi-vies décroissantes avec l'augmentation du nombre atomique, ce qui conduit à des spéculations sur la possibilité de certains éléments à durée de vie plus longue à Z = 98-102 et Z = 108-110 (bien que séparés par des éléments à courte durée de vie ). Swinne a publié ces prédictions en 1926, estimant que de tels éléments pourraient exister dans le noyau de la Terre , dans des météorites de fer ou dans les calottes glaciaires du Groenland où ils avaient été enfermés depuis leur origine cosmique supposée.

Découvertes

Les travaux effectués de 1964 à 2013 dans quatre laboratoires - le Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis, le Joint Institute for Nuclear Research en URSS (plus tard en Russie), le GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research en Allemagne et le RIKEN au Japon - ont identifié et a confirmé les éléments du rutherfordium à l' oganesson selon les critères des groupes de travail IUPAC - IUPAP Transfermium et des groupes de travail conjoints ultérieurs. Ces découvertes complètent la septième ligne du tableau périodique. Les deux autres transactinides, ununennium (élément 119) et unbinilium (élément 120), n'ont pas encore été synthétisés. Ils entameraient une huitième période.

Liste des éléments

Caractéristiques

En raison de leurs courtes demi-vies (par exemple, l'isotope connu le plus stable du seaborgium a une demi-vie de 14 minutes, et les demi-vies diminuent progressivement en allant vers la droite du groupe) et le faible rendement des réactions nucléaires qui pour les produire, de nouvelles méthodes ont dû être créées pour déterminer leur chimie en phase gazeuse et en solution à partir de très petits échantillons de quelques atomes chacun. Les effets relativistes deviennent très importants dans cette région du tableau périodique, provoquant la contraction des orbitales 7s remplies, des orbitales 7p vides et des orbitales 6d remplies vers l'intérieur vers le noyau atomique. Cela provoque une stabilisation relativiste des électrons 7s et rend les orbitales 7p accessibles dans les états de faible excitation.

Les éléments 103 à 112, lawrencium à copernicium, peuvent être pris pour former la série 6d des éléments de transition. Des preuves expérimentales montrent que les éléments 103 à 108 se comportent comme prévu pour leur position dans le tableau périodique, en tant qu'homologues plus lourds du lutécium à l'osmium. On s'attend à ce qu'ils aient des rayons ioniques entre ceux de leurs homologues de métaux de transition 5d et leurs pseudohomologues actinides : par exemple, Rf 4+ est calculé pour avoir un rayon ionique 76  pm , entre les valeurs de Hf 4+ (71 pm) et Th 4+ (94h). Leurs ions devraient également être moins polarisables que ceux de leurs homologues 5d. Les effets relativistes devraient atteindre un maximum à la fin de cette série, au roentgenium (élément 111) et au copernicium (élément 112). Néanmoins, de nombreuses propriétés importantes des transactinides ne sont pas encore connues expérimentalement, bien que des calculs théoriques aient été effectués.

Les éléments 113 à 118, du nihonium à l'oganesson, devraient former une série 7p, complétant la septième période du tableau périodique. Leur chimie sera grandement influencée par la très forte stabilisation relativiste des électrons 7s et un fort effet de couplage spin-orbite "déchirant" la sous-couche 7p en deux sections, une plus stabilisée (7p 1/2 , contenant deux électrons) et une plus déstabilisé (7p 3/2 , contenant quatre électrons). De plus, les électrons 6d sont toujours déstabilisés dans cette région et peuvent donc contribuer à un certain caractère de métal de transition pour les premiers éléments 7p. Les états d'oxydation inférieurs devraient être stabilisés ici, en poursuivant les tendances de groupe, car les électrons 7s et 7p 1/2 présentent l' effet de paire inerte . On s'attend à ce que ces éléments continuent largement de suivre les tendances de groupe, bien que les effets relativistes jouent un rôle de plus en plus important. En particulier, la grande division 7p entraîne une fermeture efficace de la coquille au flerovium (élément 114) et donc une activité chimique beaucoup plus élevée que prévu pour l'oganesson (élément 118).

L'élément 118 est le dernier élément qui a été synthétisé. Les deux éléments suivants, les éléments 119 et 120 , doivent former une série 8s et être respectivement un métal alcalin et un métal alcalino-terreux . On s'attend à ce que les électrons 8s soient stabilisés de manière relativiste, de sorte que la tendance vers une réactivité plus élevée dans ces groupes s'inversera et que les éléments se comporteront davantage comme leurs homologues de période 5, le rubidium et le strontium . Néanmoins, l' orbitale 7p 3/2 est encore relativiste déstabilisée, donnant potentiellement à ces éléments des rayons ioniques plus importants et peut-être même pouvant participer chimiquement. Dans cette région, les électrons 8p sont également stabilisés de manière relativiste, ce qui donne une configuration électronique de valence à l' état fondamental 8s 2 8p 1 pour l' élément 121 . On s'attend à ce que de grands changements se produisent dans la structure de la sous-couche en passant de l'élément 120 à l'élément 121 : par exemple, le rayon des orbitales 5g devrait chuter considérablement, de 25  unités de Bohr dans l'élément 120 dans la configuration excitée [Og] 5g 1 8s 1 à 0,8 unité de Bohr dans l'élément 121 dans la configuration excitée [Og] 5g 1 7d 1 8s 1 , dans un phénomène appelé "effondrement radial". L'élément 122 devrait ajouter un électron supplémentaire de 7d ou 8p à la configuration électronique de l'élément 121. Les éléments 121 et 122 devraient être similaires à l' actinium et au thorium , respectivement.

À l'élément 121, la série des superactinides devrait commencer, lorsque les électrons 8s et les sous-couches de remplissage 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 et 5g 7/2 déterminent la chimie de ces éléments. Des calculs complets et précis ne sont pas disponibles pour les éléments au-delà de 123 en raison de l'extrême complexité de la situation : les orbitales 5g, 6f et 7d devraient avoir à peu près le même niveau d'énergie, et dans la région de l'élément 160 les 9s, 8p 3/2 , et les orbitales 9p 1/2 devraient également être à peu près égales en énergie. Cela entraînera un mélange des couches d'électrons de sorte que le concept de bloc ne s'appliquera plus très bien, et entraînera également de nouvelles propriétés chimiques qui rendront très difficile le positionnement de ces éléments dans un tableau périodique ; l' élément 164 est censé mélanger les caractéristiques des éléments des groupes 10 , 12 et 18 .

Au-delà des éléments superlourds

Il a été suggéré que les éléments au - delà de Z = 126 soient appelés au - delà des éléments superlourds .

Voir également

Remarques

Les références

Bibliographie