Les derniers éléments : présentation

Les derniers éléments découverts.

Lorsque le tableau périodique des éléments de D. I. Mendeleïev fut proposé (63 éléments connus et classés en 1869), les scientifiques se mirent en quête des éléments manquants dans ce tableau. Rapidement ils se virent dans l'obligation d'ajouter de nouvelles périodes au tableau et même une nouvelle colonne pour les gaz rares.

Cette quête qui peut sembler sans fin connaît toutefois les limites des lois de la physique (ref1).

Lorsque l'on analyse les circonstances de la découverte de tous les éléments connus à ce jour, il apparaît que la fréquence des découvertes semble liée aux cycles économiques décrits par N. D. Kondratiev (ref2), cycles liés à l’émergence de nouvelles techniques chimiques et/ou physiques, issues de découvertes fondamentales, lesquelles accélérèrent périodiquement le rythme de découverte de nouveaux éléments.

A ce jour, cinq cycles sont mis en évidence, liés à cinq découvertes :

-

- la pile galvanique (A. Volta 1800) qui permit de réaliser des électrolyses

- les spectres d'émission et d'absorption des atomes (G. R. Kirchhoff, R. W. Bunsen 1859 - 1861)

- la découverte des rayons X et de la radioactivité (W. C. Röntgen 1895, H. Becquerel 1896)

- et enfin les réactions nucléaires (1930 - 1942).

Le dernier cycle de découvertes est lié à la construction des accélérateurs linéaires de particules et du cyclotron ainsi qu'à la découverte du neutron par J. Chadwick en 1932.

Dès 1934 E. Fermi réalise des expériences de capture de neutron par des noyaux en utilisant une source de Ra-Be. Lorsque le nouveau noyau est un émetteur b^- le numéro atomique de son noyau fils croit d'une unité par rapport au noyau initial. Ces expériences, pratiquées sur une cible d'uranium, révélèrent dès 1934 l'existence probable des éléments 93, 94 et 95 qui ne seront identifiés qu'en 1940. Elles furent aussi à l'origine de la découverte de la fission nucléaire de l’uranium par O. Hahn et F. Strassmann en 1938. Ce sont les physiciens italiens E. Segré et C. Perrier qui les premiers utilisèrent des particules accélérées par un cyclotron. En bombardant une cible de molybdène avec des deutérons dans le cyclotron de Berkeley ils identifient les premiers noyaux de technétium en 1937.

C'est cette technique de collision entre noyaux cible et particules accélérées qui est utilisée pour tenter d'obtenir des noyaux de plus en plus gros.

On notera que lors des deux derniers cycles de découverte sont apparus les radioisotopes émetteurs b⁺. Le premier d'entre eux, le ³⁰P (ref3), fut identifié par F. Joliot et I. Joliot-Curie en 1934. En 1999, on en dénombrait environ 2500.

Nous allons nous intéresser aux éléments découverts grâce aux progrès techniques issus de la maîtrise des réactions nucléaires c'est-à-dire essentiellement à la production des radioéléments artificiels ou des éléments artificiels (Man made elements).

Qu'appelle t'on un radioélément artificiel et un élément artificiel ?

Les sources :

Dans le combustible nucléaire usé des centrales nucléaires on trouve de nombreux éléments artificiels résultant de la fission des noyaux lourds (quasi tous les produits de fission radioactifs ou non ont une composition isotopique différentes des éléments naturels) et les radioéléments artificiels Tc, Pm puis les actinides jusqu’à Cm, produits lors de la capture de neutrons par l'uranium et d’autres noyaux lourds. Le retraitement des combustibles fournit des quantités appréciables de Pu (ref4).

Les cibles irradiées par les particules produites par des accélérateurs

A l'origine est l'expérience de E. Rutherford : il bombarde des noyaux d'azote avec des particules α d’une source de Rn et obtient des noyaux d'oxygène. C'est en étudiant la collision des particules a sur une feuille d'or que Rutherford découvrit le noyau atomique.

De nombreux physiciens ont conçu et construit des machines qui en combinant champ électrique et champ magnétique ont permis d'accélérer des particules :

R. J. Van de Graaf (ref5) construit le premier prototype de générateur de hautes tensions.

J. Cockroft et E. Walton développent en Angleterre un générateur assez puissant(ref6) pour briser des noyaux de lithium et de bore et produire de l'hélium. Ils inventèrent dans les années 30 les premiers accélérateurs de particules à tension continue (~ 10 eV).

C'est l'ingénieur suisse d'origine norvégienne R. Widerøe qui conçut et construisit en 1928 le premier accélérateur linéaire moderne, en utilisant un champ électrique à haute fréquence (ref7). C'est le premier des LINACs (Linear Accelerator).

Le premier accélérateur circulaire (cyclotron) fut conçut par le physicien américain E. O. Lawrence et construit avec son collègue S. Livingston (~ 100 keV) (ref8).

Par la suite, les cyclotrons furent améliorés, donnant naissance aux synchrocyclotrons, puis aux synchrotrons, bien que ces derniers soient cependant à différencier de leur ancêtre, notamment car les particules y sont accélérées par divers aimants de courbure.

Est-il aisé de réaliser une collision pour engendrer un nouveau noyau super lourd ?

Non, les scientifiques travaillant sur ces projets doivent choisir des noyaux susceptibles de fusionner pour former le noyau de l'élément recherché. Pour cela ils doivent calculer la section efficace de la collision prévue ainsi que l'énergie nécessaire à celle-ci (ref9).

Les centres de recherche.

Comment identifier les radionucléides formés ?

Dans un premier temps, il faut les isoler de la cible.

Lorsque leur durée de vie le permet, ils sont isolés par voie chimique : co-précipitation avec un élément stable aux propriétés voisines. C’est ainsi qu’ont été isolés la plupart des premiers transuraniens et  technétium.

Les spectres d'émission X donnent une signature des radionucléides présents s’ils sont assez nombreux ce qui permet de les identifier.

Pour les radionucléides de durée de vie trop courte pour réaliser une séparation par voie chimique, des techniques sont basées sur le suivi de la désintégration des noyaux et des noyaux en filiation.

Dans un premier temps, le noyau formé est extrait de la cible grâce à l'énergie cinétique acquise suite à la collision, recueilli sur un détecteur qui analyse les rayonnements émis et leur énergie : a, b, g, fission spontanée, etc.

Voir les explications des découvreurs de l'élément 114  (ref13) et la publication relative à la découverte de l'élément 117 (ref14).

Quelles sont les objectifs de recherche ?                                            Haut de page

On souhaite synthétiser des éléments super lourds et relativement stables pour lesquels le numéro atomique Z serait compris entre 114 et 126, correspondant à un îlot de stabilité dans le diagramme Z/(A-Z)(ref15).

Quelques données concernant les derniers éléments découverts        

Tableau des radioéléments artificiels

On peut ajouter ces deux radioéléments naturels à la liste :

Information très récente …SCF info en ligne n°23

Lors de la cérémonie de clôture de l'Année internationale de la chimie à Bruxelles le 1er décembre 2011, Nicole Moreau a annoncé les noms proposés pour les éléments 114 et 116 dont s'était fait l'écho le produit du jour du 1er août 2011 (Copernicium). Ces noms ont été retenus après validation par le Comité conjoint IUPAC-IUPAP des résultats expérimentaux accumulés au Joint Institute for Nuclear Research de Dubna (Russie) par une équipe russo-américaine et confirmés par le GSI de Darmstadt (Allemagne) :

Ces noms seront toutefois officialisés après consultation publique.

Quelques éléments utilisés                                       Haut de page

Seuls des radionucléides à période assez longue peuvent trouver des applications industrielles ou médicales.

Le technétium

^99mTc est un traceur utilisé en imagerie médicale, c'est un émetteur  g de courte période (6 h.), le noyau fils ⁹⁹Tc est un émetteur b^- ayant une période longue (0,21Ma) il est donc éliminé de l'organisme avant de se désintégrer.

L'isotope ^99mTc est obtenu lors de la transformation du ⁹⁹Mo (période 66 h) lui-même produit de fission de l'uranium enrichi bombardé par des neutrons.

L'américium

Associé au béryllium, l'isotope 241 de l'américium forme une source de neutrons qui trouve diverses applications : analyses industrielles, détecteur de fumées.

Le curium

Extrêmement radioactif, il  est utilisé (isotopes 243 et 245) comme source de chaleur dans des générateurs thermoélectriques (pile nucléaire) à usage spatial.

On l'utilise aussi comme source de rayonnement a (APXS, alpha-particle X-ray spectrometer)

Le curium sert aussi de cible pour la synthèse d'éléments super lourds.

Les noyaux fissibles :

Quelques radionucléides sont fissibles lorsqu'ils sont soumis à un bombardement neutronique. Ils peuvent donc être utilisés comme combustible nucléaire. C’est le cas du plutonium civil (isotopes 239 et 241 et autres) produit dans les centrales nucléaires (capture par l'uranium de neutrons puis émission β^-). Le plutonium est recyclé dans le combustible nucléaire MOX. De nombreux radionucléides isotopes de Np et de Cm sont fissibles.

Usage militaire :

On préfèrerait ne pas avoir à en parler.

Pour en savoir plus                               Haut de page

Les références du texte

1- Ficheux M. "La classification périodique a-t-elle une limite ?" Bull. Un. Prof. Phys. Chim., février 2011, vol.105 n° 931, p. 257-263.

2- Brissaud I., Bernas M. "Chronologie de la découverte des éléments chimiques et cycles de Kondratiev". L'Actualité Chimique, novembre 2001, n° 11(2001), p. 35-40.

3-http://www.bibnum.education.fr/files/joliot-analyse.pdf

4- Rigny P. "Le cycle du combustible nucléaire : de la mine d'uranium jusqu'au recyclage et aux déchets". Le Dossier. L'Actualité Chimique, octobre 2010, n° 345.

5-http://lyonel.baum.pagesperso-orange.fr/vdg2.html

6-http://lyonel.baum.pagesperso-orange.fr/greinacher.html

7-http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Charges/linac.html

8-http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Charges/cyclotron.html

http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/cyclotron.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/cyclot.html

9-http://www.nucleaire-info.com/section_efficace.htm

http://www-nds.iaea.org/

http://www.iphc.cnrs.fr/Synthese-des-elements-super-lourds.html

http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2650

10-https://www.llnl.gov/about/visiting.html

11-http://www.jinr.ru/section.asp?sd_id=144

12-http://www-aix.gsi.de         -  http://www.gsi.de/portrait/index.html

13-http://wwwnew.jinr.ru/section.asp?sd_id=103&;language=eng

14-  Y. Oganessian, « Synthesis of a New Element with Atomic Number Z = 117 », dans Physical Review Letters, vol. 104, n^o 142502, 9 avril 2010.

Texte  integral : http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.104.142502.pdf

15-  http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Island-of-Stability.png

http://www.periodicvideos.com/videos/feature_120.htm

Les articles du BUP 

La valse des noms des éléments lourds par MATHIS, Alfred Bull. Un. Phys., avril 1996, vol. 90, n° 783, p. 759-762.

Nomenclature des éléments lourds 101 à 109 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., janvier 1998, vol. 92, n° 800, p. 99-99.

Le Copernicum par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., janvier 2010, vol. 104, n° 920 (1), p. 25-26.

Les éléments 110 et 111par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., avril 1996, vol. 90, n° 783, p. 763-768.

Élément 112 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., octobre 1996, vol. 90, n° 787, p. 1535-1535.

Élément 114 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., novembre 1999, vol. 93, n° 818, p. 1675-1676.

Les éléments 116 et 118 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., avril 2000, vol. 94, n° 823, p. 745-747.

L'élément 114 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., avril 2000, vol. 94, n° 823, p. 747-747.

À propos de l'élément 118 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., octobre 2003, vol. 97, n° 857 (1), p. 1301-1301.

Les éléments 115 et 113 par SALA PALA, Jean, Bull. Un. Phys., avril 2004, vol. 98 , n° 863, p. 519-521 .

Élément 117 par MATHIS, Alfred, Bull. Un. Phys., mai 2011, vol. 105, n° 934, p. 577-580.

Le plutonium : un matériau fascinant ,BOIVINEAU, Michel  Bull. Un. Phys., décembre 2007, vol. 101, n° 899 (2), p. 7-22.

Bien que découvert en 1940, le plutonium ne nous a pas encore livré tous ses secrets. La raison majeure de sa complexité réside dans sa position charnière au sein de la série des actinides, associée au remplissage progressif de la couche électronique 5f qui présente une spécificité et unicité rappelées ici. La singularité du plutonium se traduit notamment par des propriétés physiques (voire chimiques) tout à fait remarquables dont les principales sont dévoilées dans cet article. La décroissance radioactive des isotopes du plutonium induit au cours du temps d’une part des modifications chimiques et d’autre part des changements structurels. On parle alors d’auto-irradiation au sein du matériau, phénomène conduisant à une évolution de la microstructure et des modifications qui peuvent être observées à l’échelle macroscopique. Cet article se propose de faire découvrir au lecteur les multiples facettes de ce matériau ô combien fascinant.

La classification périodique a-t-elle une limite ? FICHEUX Michel. Bull. Un. Prof. Phys. Chim., février 2011, vol.105 n° 931, p. 257-263.

Problèmes de sûreté des réacteurs à neutrons rapides , PHARABOD, Jean-Pierre Bull. Un. Phys., juillet-août-septembre 1976, vol. 70, n° 586, p. 1361-1367.

Le problème de la toxicité du plutonium est soulevé dans un scénario catatrophe !

Le cycle du combustible nucléaire, SAUTERON, J. • MIQUEL, P. Bull. Un. Phys., juillet-août-septembre 1981, vol. 75, n° 636, p. 1305-1336.
L'article traite en partie de la problèmatique du plutonium produit dans les centrales, et du plutonium extrait lors du retraitement des combustibles usés.

En annexe (p 1135-6), Rappel des principaux composés de l’uranium et du plutonium

Le cycle du combustible nucléaire... réellement bien maîtrisé ?  ,  DUMIELLE, Jean-Christophe Bull. Un. Phys., avril 1982, vol. 76, n° 643, p. 799-810.

Critique sécuritaire de l'article précédent.

Enseignements nucléaires tirés de l'étude du phénomène d'Oklo. Etude de la date et de la durée des réactions. Etude de la migration des produits de fission , HAGEMANN, Robert  Bull. Un. Phys., juin 1984, vol. 78, n° 665, p. 1201-1220.

Le rôle du plutonium 239 qui aurait pu s'y former est abordé pour déterminer la durée d'activité du site ainsi que celui du technétium 99 (p 1209-1213). 

Articles parus dans L'Actualité Chimique, de 1990 à décembre 2011

Les articles parus de 1999 à 2011 peuvent être obtenus sur le site de l'Actualité Chimique : http://www.lactualitechimique.org/larevue_arc_prec.php

Traitement chimique du combustible nucléaire usé. C. Madic ; L'Actualité Chimique mai 1999 – n° 5(1999)– p 16-22.

Procédé PUREX d'extraction et de séparation de l'uranium et du plutonium du combustible nucléaire usé – Hydrométallurgie. – Extraction du neptunium.

Le rayonnement synchrotron utilisé pour étudier des matériaux radioactifs. 

 A consulter pour plus d'informations:

le numéro de juillet – août 2011 de Radiochimica acta : http://www.oldenbourg-link.com/toc/ract/99/7-8

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