Éléments lourds: où se termine le tableau périodique des éléments ?

Publié par Adrien le 04/06/2020 à 09:00
Source: CEA IRFU
La simple question "Où se termine le tableau périodique des éléments ?" suscite depuis longtemps l'intérêt des scientifiques. Dans ce contexte, la compréhension de la structure des noyaux les plus lourds, et à travers elle leur stabilité, est d'une importance majeure.


Figure 1: Carte des noyaux dans la région des noyaux lourds. Chaque noyau est représenté par un carré en fonction du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons (Z) et du nombre de neutrons (N) (https://people.physics.anu.edu.au/~ecs103/chart3d/).

Il y a dix ans, il n'existait pas de voie évidente pour s'attaquer à cette quête scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.). Et pourtant, ces dernières années, une collaboration composée de physiciens provenant de l'Irfu/DPhN, de Jyvaskyla (Finlande), du GSI (Allemagne) et d'Argonne (États-Unis) a appliqué une technique nouvellement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de...) qui s'appuie sur des accélérateurs à haute performance et des détecteurs de pointe pour étudier les états isométriques (longue durée de vie) des noyaux lourds.

Cette technique a déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) une renaissance de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) des éléments ioniques lourds. De nouveaux détecteurs à plan focal équipés d'électronique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition...) ont été pour la première fois adaptés aux états de courte durée dans les noyaux lourds, permettant la détection d'événements très proches et de demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier,...) très courte (quelques µs). Cela ouvre de nouvelles perspectives puisqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...), l'élément le plus lourd trouvé est l'Oganesson avec une demi-vie de 0,58 ms. Les résultats ont été publiés dans Physical Review C [1].

Les états isomériques: une clé pour comprendre la structure des noyaux lourds

Les noyaux atomiques sont des états liés aux quanta dont les composants, les protons et les neutrons, peuvent occuper différents niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Lorsqu'ils remplissent les niveaux inférieurs, le noyau se trouve dans l'état le moins énergétique, appelé état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux...). Cependant, ils peuvent "sauter" sur des niveaux d'énergie plus élevés, ce qui donne des configurations plus énergétiques appelées états excités du noyau. Si cet état excité a une longue durée de vie (La vie est le nom donné :), il est appelé isomère. Ces isomères sont métastables. La durée de vie typique d'un état nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) peut être de quelques picosecondes, mais les isomères peuvent survivre plusieurs ordres de grandeur plus longtemps. Certains isomères sont connus pour avoir des demi-vies de quelques secondes, minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur...), heures (L'heure est une unité de mesure  :), ou même années. Par exemple, l'état isomérique du Hafnium (Le hafnium est un élément chimique du tableau périodique de symbole Hf et de numéro atomique 72. C'est un métal de transition...) 178 (composé de 72 protons et 106 neutrons) a une demi-vie de plus de 30 ans.

L'existence d'états isomériques est due à de fortes différences de propriétés (par exemple des formes différentes) entre l'état isomérique et les états inférieurs. Par conséquent, l'étude des isomères se révèle cruciale pour déterminer la structure des noyaux lourds.


Figure 2: Croquis d'un processus de désexcitation d'un noyau produit dans son état isométrique (état métastable) vers l'état fondamental via l'émission de gammas ou d'électrons

Une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les...) peut produire un noyau dans son état fondamental ou dans son état isomérique. Dans ce dernier cas, la plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), l'état isomérique ne se désintègre pas directement vers l'état fondamental. Il prendra un chemin peuplant des états excités intermédiaires avant d'atteindre l'état fondamental (figure 2). Les différentes désintégrations le long de ce trajet émettent des particules telles que des électrons et des gammas, qui peuvent être détectées. Une fois mesurées, on peut déduire de ces émissions des informations sur la structure des noyaux lourds. Si, comme le 250No, l'état fondamental est radioactif, il peut alors se désintégrer par divers mécanismes (fission, désintégration bêta,...).

Une nouvelle électronique pour des mesures révolutionnaires des états isomériques

Ces dernières années, l'utilisation de l'électronique numérique dans les domaines expérimentaux de la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) n'a cessé de croître. Quel est l'objectif de l'électronique numérique ? Elle permet d'échantillonner les signaux provenant d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement...), un détecteur au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) par exemple, avec une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) typique de 50 à 100 MHz. Une fois échantillonnés, des algorithmes logiciels spécifiques sont capables de séparer des événements qui se produisent très près dans le temps.

En exploitant ces nouvelles avancées, les physiciens de Irfu/DPhN et de Jyväskylä (Finlande) ont pu étudier pour la première fois la spectroscopie de désintégration de 250No (Nobelium composé de 102 protons et 148 neutrons), un des rares types de noyaux très lourds à l'état isomérique vivant considérablement plus longtemps que son état fondamental.

La méthode utilisée pour chasser les isomères peut être décrite comme suit. Premièrement, la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) entre un faisceau et une cible produit de nombreux noyaux, parmi lesquels ceux qui présentent un intérêt (ici 250No à la fois dans l'état fondamental et dans l'état isomérique). Ces derniers sont sélectionnés dans le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) (transfert indésirable, produits de fission et particules du faisceau n'ayant pas réagi) par l'intermédiaire d'un séparateur (figure 3).


Figure 3: Le séparateur RITU à l'installation de l'accélérateur de Jyväskylä. Le faisceau arrive sur la droite ; des noyaux 250No sont créés puis on les filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) dans le séparateur RITU (aimants et quadrupôles) ; enfin, on étudie leur désintégration avec des détecteurs situés sur la partie gauche de l'image.

Le noyau sélectionné est implanté dans un pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie...) d'un détecteur à bande de silicium double face hautement segmenté (DSSSD) au niveau du plan focal du séparateur. Si le noyau est dans un état isomérique, il survivra pendant un certain temps avant de se désintégrer dans un état inférieur. Cette désintégration suivra le chemin présenté sur la figure 1, ce qui signifie que plusieurs électrons seront détectés ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) en même temps. Ensuite, le noyau 250No se désintégrera également, en fissionnant en deux noyaux de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) inférieure. Cette méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle...), proposée par Graham Jones de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Liverpool, fournit une séquence d'événements identifiable très nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...):
- Implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) d'un produit de réaction au niveau du plan focal d'un séparateur
- Détection d'une "bouffée" d'électrons
- Détection de l'état fondamental de fission.

Toutes ces étapes se déroulent dans le même pixel du DSSSD. Cette puissante méthode permet d'effectuer une spectroscopie de la désintégration des isomères (voir figure 4).


Figure 4: Spectre montrant les énergies des électrons détectés. Dans l'encadré en haut à droite on voit les différentes phases dans le signal électronique dans la DSSD, premièrement le produit de réaction (Résidu d'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est...), ER) est implanté dans la DSSD, deuxièmement, les électrons provenant de la désintégration de l'état isomérique sont détectés (e-), troisièmement, les produits de fission (Fission spontanée, SF) sont observés dans le DSSD.

De nouveaux résultats qui font la lumière sur la stabilité des noyaux lourds

L'exploitation de la méthode Jones avec l'électronique numérique permet d'extraire la durée de vie de 250No de l'état fondamental (t1/2 = 3,8 ± 0,3 μs) et de l'état isomérique (t1/2 = 34.9-3.2+3.9 μs), en soulignant que la durée de vie de l'état isomérique est plus longue que celle de l'état fondamental. C'est la première fois qu'une durée de vie aussi courte d'un état isomérique d'un noyau lourd a été mesurée. La demi-vie plus longue de l'état isomérique par rapport à celle de l'état fondamental suggère qu'il existe un obstacle important à la fission dû à l'état isomérique. Le noyau gagne ainsi en stabilité. Ce phénomène a des conséquences importantes pour les modèles de structure nucléaire (La connaissance de la structure des noyaux atomiques, ou structure nucléaire est un des chapitres clés de la physique nucléaire. Compte tenu de son importance, on en a fait un article...) visant à déterminer les limites de l'îlot de stabilité des éléments super-lourds.

Cette propriété intéressante, observée seulement dans des cas limités (par exemple, le Darmstadtium (Le darmstadtium (précédemment ununnilium) est un élément chimique, de symbole Ds et de numéro atomique 110. C'est un élément synthétique dont la...) 270 composé de 110 protons et 160 neutrons) ouvre la possibilité de trouver plus facilement de nouveaux isotopes et éléments super-lourds en recherchant leurs isomères. Alors, où se termine le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique ? Quelle est la masse du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est...) le plus lourd ? Nous n'avons pas encore de réponses claires, mais suite aux récents résultats expérimentaux, nous avons de bonnes chances d'y répondre dans un avenir proche.

Note:
[1] J. Kallunkathariyil et al., Phys. Rev. C 101, 011301(R) (2020).
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