Les derniers éléments : présentation
Les derniers éléments découverts.
Dossier proposé par Michel Ficheux avec une relecture attentive de Robert Guillaumont et Michel Verdaguer.
Quels sont les éléments concernés par cette présentation ?
Quelles sont les objectifs de recherche ?
Quelques données concernant les derniers éléments découverts
Quels sont les éléments concernés par cette présentation ?
Pour répondre, nous allons nous plonger dans l'histoire de la découverte des éléments de la classification périodique.
Un peu d'histoire
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 :
-
l'émergence de la chimie "classique" (à partir de 1740 : N. Lémery, A. L. Lavoisier, J. Dalton, etc.)
- 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 ?
Un radioélément artificiel est un élément dont tous les isotopes sont radioactifs (radionucléides) et qui n’existe pas sur terre (ou présents à l'état de traces infimes). Il peut être monoisotopique. Un élément artificiel a une composition isotopique différente de la composition naturelle. Il peut être radioactif si l’un ou plusieurs de ses isotopes sont des radionucléides. On doit produire les radionucléides au moyen d'une réaction nucléaire.
Les radioéléments artificiels sont 43Tc, 61Pm et tous les éléments transuraniens.
Les 10 premiers :
93Np, 94Pu, 95Am, 96Cm ,97Bk, 98Cf, 99Es, 100Fm, 101Md, 102No, sont classés dans la série des Actinides qui constituent le bloc 5f.
Les transactinides : 103Lr, 104Rf, 105Db, 106Sg, 107Bh, 108Hs, 109Mt, 110Ds, 111Rg, 112Cn. appartiennent au bloc 6d de la septième période.
Les éléments suivants, dont certains isotopes ont été identifiés, mais non encore nommés : 113Uut, 114Uuq, 115Uup, 116Uuh, 117Uus, 118Uuo appartiennent au bloc 7p de la septième période.
A ce jour, le noyau le plus lourd que l'on ait préparé est le 118Uuo (ununoctium).
Lorsqu'il sera synthétisé, l'élément suivant commencera la huitième période.
Comment les obtenir ?
Haut de pageLes sources :
Les combustibles usés des centrales nucléaires
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.
Aujourd'hui, l'essentiel des recherches pour synthétiser des noyaux transactinides se font sur trois sites principaux dotés de puissants accélérateurs en énergie et intensité de faisceau :
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
Symbole |
Nom |
Date et lieu de découverte |
Technique utilisée pour la 1ère synthèse |
Isotope le plus stable : A - T |
43Tc |
Technétium |
1937 Berkeley Palerme |
Mo partie du cyclotron |
98 – 4,2 Ma. |
61Pm |
Prométhium |
1947 Oak Ridge US |
Réacteur nucléaire |
145 – 17,7 a. |
93Np |
Neptunium |
1940 Berkeley |
Cyclotron 238U + 1n |
237 – 2,14 Ma. |
94Pu |
Plutonium |
1940 Berkeley |
Cyclotron 238U + 2D |
244 – 8,08 Ma |
95Am |
Américium |
1944 Argonne US |
239Pu ; capt neutron |
243 – 7370 a. |
96Cm |
Curium |
1944 Berkeley |
Cyclotron 239Pu+4He |
247 – 15,6 Ma. |
97Bk |
Berkelium |
1950 Berkeley |
Am + He |
247 – 1380 a. |
98Cf |
Californium |
1950 Berkeley |
Cm + He |
251 – 898 a. |
99Es |
Einsteinium |
1952/4 Argonne US |
H-bomb U + 15 n |
252 – 471,7 j. |
100Fm |
Fermium |
1952/4 Argonne US |
H-bomb U + 17 n |
257 – 100,5 j. |
101Md |
Mendelevium |
1955 Berkeley |
Es + 4He |
258 – 51,5 j. |
102No |
Nobelium |
1958 Berkeley Suède |
HILAC 244Cm + 12C |
259 – 58 min. |
103Lr |
Lawrencium |
1961 Berkeley |
HILAC 252Cf + 11B |
262 – 4 h. |
104Rf |
Rutherfordium |
1964 Doubna/Berkeley |
Pu + Ne et Cf + C |
265 – 13 h. |
105Db |
Dubnium |
1967 Doubna |
243Am + 22Ne |
268 – 32 h. |
106Sg |
Seaborgium |
1974 Berkeley/Doubna |
249Cf + 18O |
269 – 22 s. |
107Bh |
Bohrium |
1976 Doubna |
54Cr + 204Bi |
262 – 17 s. |
108Hs |
Hassium |
1984 Darmstadt |
208Pb + 58Fe |
270 – 22 s |
109Mt |
Meitnerium |
1982 Darmstadt |
209Bi + 58Fe |
276 – 0,76 s. |
110Ds |
Darmstadtium |
1994 Darmstadt |
Pb + Ni |
281 – 11,1 s. |
111Rg |
Roentgenium |
1994 Darmstadt |
209Bi + 64Ni |
280 – 3,6 s. |
112Cn |
Copernicium |
1996 Darmstadt |
Pb + Zn |
283 – 5 min. |
113Uut |
Ununtrium |
2004 Doubna/LLNL |
Uup - émission a |
284 – 0,5 s. |
114Uuq |
Ununquadium |
1999 Doubna |
244Pu + 48Ca |
288 – 2,8 s. |
115Uup |
Ununpentium |
2004 Doubna/LLNL |
Am + Ca |
288 – 87 ms. |
116Uuh |
Ununhexium |
2000 Doubna |
248Cf + 48Ca |
293 – 61 ms. |
117Uus |
Ununseptium |
2010 Doubna/LLNL |
249Bk + 48Ca |
294 – 78 ms |
118Uuo |
Ununoctium |
2006 Doubna/LLNL |
249Cf + 48Ca |
294 – 0,9 sms |
On peut ajouter ces deux radioéléments naturels à la liste :
85At |
Astate |
1940 Berkeley |
209Bi + 4He |
210 – 8,1 h. |
87Fr |
Francium |
1939 Institut Curie F. |
227Ac – émission a |
223 – 21,8 min. |
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.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, no 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.
"Chronologie de la découverte des éléments chimiques et cycles de Kondratiev". Brissaud I., Bernas M. L'Actualité Chimique, novembre 2001, n° 11(2001), p. 35-40. Application de la chimie de coordination du technétium 99 dans le domaine de la biologie et de la médecine. H. Belhadj-Tahar, M.-H. Darbieu. L'Actualité Chimique, novembre-décembre 2003, n° 11-12(2003), p. 57-63. Le coté "pratique" de l'imagerie médicale à l'aide du technétium. Schéma de décroissance de 99Mo, et du générateur de 99mTc. "Sciences chimiques et déchets radioactifs" Numéro spécial de L'Actualité Chimique, avril - mai 2005, n° 285-286. Numéro spécial consacré à la problématique de la gestion des déchets du nucléaire. Chimie de coordination des actinides. Vers les frontières du tableau périodique. C. Den Auwer, P. Moisy, E. Simoni. L'Actualité Chimique, mai 2009, n° 330, p. 34-41. Présentation de la chimie moléculaire et de la chimie des solutions aqueuses des actinides. Le recyclage des actinides présents dans les combustibles nucléaires usés, une contribution significative pour un nucléaire de quatrième générationdurable. C. Poinssot, D Warin. L'Actualité Chimique, août-septembre 2009, n° 333, p. 12-16. Un état des lieux des différents procédés de retraitement des combustibles nucléaires usés. Le cycle du combustible nucléaire. P Rigny. Dossier de L'Actualité Chimique, octobre 2010, n° 345. Le recyclage des déchets est une source d'éléments transuraniens. La chimie dans le cycle du combustible nucléaire. De la mine à la gestion des déchets radioactifs. L. Martin-Deider, S. Gin. L'Actualité Chimique, mai 2011, n° 352, p. 11-15. Le retraitement des déchetq donne une part de plus en plus importante à l'extraction du plutonium mais aussi à celle des actinides mineurs. Chimie et radioactivité. Cent ans après Marie Curie. R. Guillaumont. . L'Actualité Chimique, juin-juillet-août 2011, n° 353-354, p. 11-16. Un aperçu sur les recherches passées, présentes et à venir en radiochimie. Références bibliographiques. Chimie des actinides et cycle électronucléaire. L'apport du rayonnement synchrotron. C. Den Auwer. L'Actualité Chimique, octobre-novembre 2011, n° 356-357, p. 45-51.
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
Retour à la table des matières de la classification : un dossier par semaine...