Les éléments superlourds

Avec l’oganesson, élément 118, la septième ligne du tableau périodique est complète depuis 2016. Ces derniers éléments, dits superlourds, sont parmi les objets les plus difficiles à produire de toute la science : il faut parfois des mois de bombardement pour obtenir un seul atome. Leur étude teste les limites de l’existence des noyaux atomiques et de la chimie elle-même.

La liste des éléments 104 à 118

Les dates indiquent les premières expériences reconnues ; la reconnaissance officielle par l’IUPAC et l’Union internationale de physique pure et appliquée intervient souvent des années plus tard. Les noms des éléments 113, 115, 117 et 118 ont été approuvés le 28 novembre 2016, achevant la septième période. L’oganesson et le seaborgium sont les deux seuls éléments nommés d’après une personne vivante au moment de la décision.

Comment fabrique-t-on un élément superlourd ?

On accélère un faisceau d’ions d’un élément léger ou moyen et on le projette sur une cible d’un élément lourd. Très rarement, les deux noyaux fusionnent et forment un noyau composé, qui doit évacuer son excès d’énergie en éjectant des neutrons sans se briser.

• Fusion « froide » : faisceaux de zinc ou de nickel sur des cibles de plomb ou de bismuth. Elle a permis au GSI de Darmstadt de découvrir les éléments 107 à 112, et au RIKEN le nihonium, dont trois atomes seulement ont été observés en neuf ans d’expériences.
• Fusion « chaude » : faisceaux de calcium 48, isotope rare et très riche en neutrons, sur des cibles d’actinides (plutonium, américium, berkélium, californium). C’est la méthode du laboratoire de Doubna, dirigé pour ces travaux par Iouri Oganessian, qui a produit les éléments 114 à 118.

Les atomes formés sont séparés du faisceau en une fraction de seconde par des séparateurs électromagnétiques, puis implantés dans un détecteur. On les identifie par leur chaîne de désintégrations alpha successives, jusqu’à des noyaux connus, ou par fission spontanée (voir radioactivité).

L’îlot de stabilité

Plus un noyau contient de protons, plus leur répulsion électrique tend à le faire éclater. Pourtant, la physique nucléaire prévoit que certaines combinaisons de protons et de neutrons, correspondant à des couches complètes (nombres « magiques »), sont plus stables. Les théoriciens prédisent depuis les années 1960 un îlot de stabilité autour de 114 à 126 protons et d’environ 184 neutrons, où des noyaux pourraient vivre des minutes, des jours, voire bien plus.

Les isotopes produits jusqu’ici sont trop pauvres en neutrons pour atteindre le centre de l’îlot. Mais l’allongement des périodes observé pour les isotopes les plus riches en neutrons de copernicium et de flérovium, jusqu’à plusieurs secondes ou dizaines de secondes, va dans le sens de son existence.

Une chimie à l’échelle de l’atome

Les chimistes parviennent à étudier certaines propriétés de ces éléments sur quelques atomes, par exemple leur volatilité ou leur adsorption sur une surface d’or. Les résultats montrent l’importance des effets relativistes : les électrons proches de ces noyaux très chargés se déplacent si vite que leurs propriétés changent (voir relativité). Le copernicium et le flérovium se montrent ainsi plus volatils que prévu par simple analogie avec leurs voisins. L’oganesson, formellement un gaz noble, serait probablement solide à température ambiante et plus réactif que le radon, d’après les calculs. Ses isotopes connus vivent moins d’une milliseconde.

Vers les éléments 119 et 120

Les éléments 119 et 120 ouvriraient la huitième période du tableau. Leur synthèse exige des faisceaux plus lourds que le calcium 48, avec des probabilités de réaction encore plus faibles : titane 50, vanadium 51 ou chrome 54 sur des cibles d’actinides. En 2024, une équipe de Berkeley a annoncé avoir produit du livermorium avec un faisceau de titane 50, démonstration jugée encourageante pour la recherche de l’élément 120. Le RIKEN cherche l’élément 119, et le laboratoire de Doubna a construit une nouvelle « usine à éléments superlourds ».

Questions fréquentes

Combien y a-t-il d’éléments chimiques ?

118 éléments sont aujourd’hui reconnus. Les 94 premiers ont été observés dans la nature, au moins à l’état de traces ; les autres sont exclusivement synthétiques.

À quoi servent les éléments superlourds ?

À rien de pratique, car on n’en produit que quelques atomes. Leur intérêt est scientifique : comprendre la structure des noyaux, tester les modèles de la physique nucléaire et de la chimie relativiste, et explorer les limites du tableau périodique.

Y a-t-il une limite au nombre d’éléments ?

Personne ne le sait. Certains calculs suggèrent que les noyaux et les atomes ne pourraient plus exister au-delà d’environ 170 à 180 protons, mais la limite pratique de la synthèse sera atteinte bien avant.