Superactinide

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On appelle superactinide tout élément chimique — dont l'existence demeure à ce jour hypothétique — de numéro atomique compris entre 121[1] (unbiunium) et 153 (unpenttrium). Ces éléments feraient suite aux transactinides, remplissant progressivement les sous-couches 5g et 6f par numéro atomique croissant.

L'existence de cette série avait été conjecturée par Glenn Seaborg, lauréat du Prix Nobel de chimie 1951[2]. Elle n'est pas reconnue par l'UICPA, dont le tableau périodique de référence s'arrête à l'élément 112[3].

Stabilité des noyaux superlourds[modifier | modifier le code]

Nombres magiques et îlot de stabilité[modifier | modifier le code]

Le modèle en couches décrivant la structure nucléaire implique l'existence de « nombres magiques » par type de nucléons en raison d'une stratification des neutrons et des protons en niveaux d'énergie quantiques dans le noyau, à l'instar de ce qui se passe pour les électrons au niveau de l'atome. Dans ce modèle, les nombres magiques correspondent à la saturation d'une couche nucléaire par un type de nucléons, d'où une stabilité accrue de l'ensemble du noyau ; ces nombres sont :

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184.

Ce modèle en couches permet notamment de rendre compte des écarts d'énergie de liaison nucléaire constatés dans les atomes par rapport aux résultats de la formule de Weizsäcker fondés sur le modèle de la goutte liquide du noyau atomique, ou encore d'expliquer pourquoi le technétium 43Tc ne possède aucun isotope stable. Les noyaux « doublement magiques », constitués d'un nombre magique de protons et d'un nombre magique de neutrons, sont particulièrement stables. De ce point de vue, un « îlot de stabilité » pourrait exister autour de l'unbihexium 310, doublement magique avec 126 protons et 184 neutrons.

C'est ainsi que les premiers termes de la série des superactinides, et notamment la première moitié des éléments du bloc g (jusqu'à Z ≈ 130), pourraient avoir des isotopes sensiblement plus stables que les autres nucléides superlourds, avec des périodes radioactives atteignant quelques secondes ; d'après la théorie de champ moyen relativiste, la stabilité particulière de ces nucléides serait due à un effet quantique de couplage des mésons ω[4], l'un des neuf mésons dits « sans saveur ».

Les contours exacts de cet îlot de stabilité ne sont toutefois pas clairement établis, car les nombres magiques des noyaux superlourds semblent plus difficiles à préciser que pour les noyaux légers[5], de sorte que, selon les modèles, le nombre magique suivant serait à rechercher pour Z compris entre 114 et 126.

Limites physiques à la taille des noyaux[modifier | modifier le code]

Il n'est toutefois pas certain que l'existence d'atomes aussi lourds soit physiquement possible, la répulsion électrostatique d'un nombre trop important de protons dans un même noyau pouvant induire une fission spontanée ou la fuite des protons en excès pour retomber sur des numéros atomiques inférieurs. On considère en effet que la fission spontanée est possible dès lors que Z2 / A ≥ 45, ce qui est précisément le cas de l'unbihexium-310 (puisque 1262 / 310 ≈ 51) ; si l'effet des nombres magiques prédits par la théorie en couches du noyau atomique se vérifie également pour cet isotope, il sera de toute façon rendu instable par sa conformation très elliptique.

Par ailleurs, plusieurs équations font intervenir le produit αZ, dans lequel α représente la constante de structure fine, et ne sont valides que lorsque ce produit est inférieur à 1 ; dans la mesure où α ≈ 1/137, un problème apparaît à partir de l'untriseptium :

v =\alpha\,Z\,c\approx\frac{Z}{137,036}\,c
  • L'équation de Dirac devient également invalide au-delà de Z = 137 pour la même raison, en exprimant l'énergie d'un atome à l'état fondamental par :
E=m_e c^2\sqrt{1-\alpha^2 Z^2}
me est la masse de l'électron au repos.

Ces équations sont approchées et ne tiennent pas compte, par exemple, de la dimension non nulle des noyaux atomiques (d'autant plus sensible que les atomes sont lourds) ni même de la théorie de la relativité (cas du modèle de Bohr), de sorte qu'elles n'impliquent pas la non-existence des noyaux à 137 protons et plus ; mais cela laisse entrevoir une limite physique au numéro atomique tel que nous le conceptualisons habituellement, avec des propriétés particulières pour les atomes superlourds (de l'ordre de Z = 150, et au-delà, pour lesquels l'énergie des électrons représenterait deux à trois fois leur masse au repos, qui est de 511 keV) s'ils devaient effectivement exister[6].

Si l'on tient compte des effets relativistes dans la structure du cortège électronique de tels atomes, la limite semble se situer vers Z ≈ 173 électrons plutôt que 137[7] tandis que le même raisonnement appliqué aux noyaux aboutit à une limite vers Z ≈ 210 protons. Du point de vue des niveaux d'énergie nucléaire, la limite se situerait également à 173 protons : un 174e proton porterait en effet l'énergie de la couche nucléaire 1s1/2 au-delà de 511 keV, ce qui induirait la désintégration β+ de ce proton par émission d'un positon et d'un neutrino électronique[8].

D'autres considérations plus pratiques amènent à envisager la limite physique du numéro atomique à des niveaux bien inférieurs, ne dépassant pas Z ≈ 130, juste au-delà de l'hypothétique îlot de stabilité[9],[10].

Propriétés chimiques des superactinides[modifier | modifier le code]

En l'absence d'observation expérimentale, il est bien difficile de savoir exactement comment se rempliraient les sous-couches électroniques 5g et 6f, dont les niveaux d'énergie calculés seraient très voisins, d'autant plus que ces calculs laissent penser que ces niveaux d'énergie 5g et 6f seraient eux-mêmes fort proches des sous-couches 7d et 8p[9] ; il s'ensuit que les électrons de tels atomes pourraient facilement passer d'une sous-couche à l'autre, de sorte que leurs propriétés chimiques pourraient ne pas pouvoir être déduites directement de leur localisation dans le tableau périodique.

Par ailleurs, des effets dus au couplage spin-orbite et à l'électrodynamique quantique, déjà sensibles pour les éléments 114 et 118 sur la période précédente[11], pourraient redistribuer les niveaux d'énergie électroniques, et donc modifier sensiblement la configuration électronique des éléments de la 8e période du tableau périodique, qui, s'ils pouvaient être produits en quantités suffisantes, pourraient de ce fait avoir des propriétés chimiques radicalement différentes de celles attendues.

Dénomination systématique des superactinides[modifier | modifier le code]

Aucun de ces atomes n'ayant été observé à ce jour, ils ont désignés selon la dénomination systématique de l'UICPA :


Éléments du bloc g : Éléments du bloc f :
   
no 121 : unbiunium Ubu no 139 : untriennium Ute
no 122 : unbibium Ubb no 140 : unquadnilium Uqn
no 123 : unbitrium Ubt no 141 : unquadunium Uqu
no 124 : unbiquadium Ubq no 142 : unquadbium Uqb
no 125 : unbipentium Ubp no 143 : unquadtrium Uqt
no 126 : unbihexium Ubh no 144 : unquadquadium Uqq
no 127 : unbiseptium Ubs no 145 : unquadpentium Uqp
no 128 : unbioctium Ubo no 146 : unquadhexium Uqh
no 129 : unbiennium Ube no 147 : unquadseptium Uqs
no 130 : untrinilium Utn no 148 : unquadoctium Uqo
no 131 : untriunium Utu no 149 : unquadennium Uqe
no 132 : untribium Utb no 150 : unpentnilium Upn
no 133 : untritrium Utt no 151 : unpentunium Upu
no 134 : untriquadium Utq no 152 : unpentbium Upb
no 135 : untripentium Utp
no 136 : untrihexium Uth Élément du bloc d :
no 137 : untriseptium Uts
no 138 : untrioctium Uto no 153 : unpenttrium Upt

À noter que les éléments de numéro atomique Z > 112 sont généralement désignés, dans la littérature scientifique, sous la forme « élément Z » : on trouvera donc plus fréquemment « élément 121 » que « unbiunium », par exemple.

Note[modifier | modifier le code]

  1. L'élément no 121 (unbiunium) est parfois classé avec les transactinides plutôt que dans la série chimique des superactinides ; cette option ne devrait pas être retenue, car l'élément 121 serait le premier des éléments du bloc g, et appartiendrait donc sans ambiguïté à la série chimique des superactinides ; c'est du reste ainsi que Seaborg définissait cette série.
  2. « Seaborg Talks — 65th Anniversary » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 2013-04-08 planche no 29 : « Evolution of the Periodic Table ».
  3. Tableau périodique officiel de l'UICPA en date du 22/06/2007, avant la reconnaissance de l'élément 112Cp intervenue en juin 2009.
  4. (en) G. Münzenberg, M. M. Sharma, A. R. Farhan, « α-decay properties of superheavy elements Z=113-125 in the relativistic mean-field theory with vector self-coupling of ω meson », Phys. Rev. C, vol. 71,‎ 19 mai 2005, p. 054310 (lien DOI?, lire en ligne)
  5. (en) Robert V. F. Janssens, « Nuclear physics: Elusive magic numbers », Nature, vol. 435,‎ 2005, p. 897-898(2) (lien DOI?, lire en ligne)
  6. Les électrons relativistes de tels atomes pourraient notamment générer des paires électron-positon plutôt que des photons en changeant de niveaux d'énergie.
  7. (en) Walter Greiner, Stefan Schramm, « Resource Letter QEDV-1: The QED vacuum », American Journal of Physics, vol. 76, no 6,‎ 2008, p. 509-518(10) (lien DOI?, lire en ligne) avec notamment tout une liste de références à consulter sur le sujet.
  8. CEA Saclay – Spectroscopy of very heavy elements Slide #16 – Limit of stability: positron emission.
  9. a et b Encyclopaedia Britannica : article « Transuranium Element », dont la brève section « End of Periodic Table » en fin d'article situe entre 170 et 210 le nombre limite de protons pouvant être contenus dans un même noyau ; la section « Superactinoid Series » évoque l'impossibilité de prévoir les propriétés chimiques des superactinides en raison de la confusion des niveaux d'énergie des sous-couches 5g et 6f, ainsi que 7d et 8p.
  10. (en) S. Cwiok, P.-H. Heenen, W. Nazarewicz, « Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei », Nature, vol. 433,‎ 2004, p. 705-709(5) (lien DOI?, lire en ligne)
  11. Ainsi, l'élément 114, qui devrait avoir les propriétés d'un métal pauvre, se comporterait en fait comme un gaz rare, tandis que l'élément 118, qui est dans la colonne des gaz rares, serait en fait un solide métalloïde.

Articles liés[modifier | modifier le code]

  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
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