Unbiquadium - Unbiquadium

L'unbiquadium , également connu sous le nom d' élément 124 ou eka-uranium , est l'élément chimique hypothétique portant le numéro atomique 124 et le symbole de substitution Ubq. Unbiquadium et Ubq sont respectivement le nom et le symbole temporaires de l' IUPAC jusqu'à ce que l'élément soit découvert, confirmé et qu'un nom permanent soit décidé. Dans le tableau périodique, l'unbiquadium devrait être un superactinide g-bloc et le sixième élément de la 8e période . L'unbiquadium a attiré l'attention, car il pourrait se trouver dans l' îlot de stabilité , conduisant à des demi-vies plus longues, en particulier pour ³⁰⁸ Ubq qui devrait avoir un nombre magique de neutrons (184).

Malgré plusieurs recherches, l'unbiquadium n'a pas été synthétisé et aucun isotope naturel n'a été trouvé. On pense que la synthèse de l'unbiquadium sera beaucoup plus difficile que celle d' éléments plus légers non découverts , et l'instabilité nucléaire peut poser d'autres difficultés pour identifier l'unbiquadium, à moins que l'îlot de stabilité n'ait un effet stabilisateur plus fort que prévu dans cette région.

En tant que membre de la série des superactinides, l'unbiquadium devrait ressembler à son possible congénère uranium . On s'attend à ce que les électrons de valence de l'unbiquadium participent assez facilement aux réactions chimiques, bien que des effets relativistes puissent influencer de manière significative certaines de ses propriétés ; par exemple, la configuration électronique a été calculée pour différer considérablement de celle prédite par le principe d'Aufbau .

introduction

Une représentation graphique d'une réaction de fusion nucléaire . Deux noyaux fusionnent en un seul, émettant un neutron . Les réactions qui ont créé de nouveaux éléments à ce moment étaient similaires, avec la seule différence possible que plusieurs neutrons singuliers étaient parfois libérés, voire aucun.

Vidéo externe
Visualisation d'une fusion nucléaire infructueuse, basée sur des calculs de l' Australian National University

Les noyaux atomiques les plus lourds sont créés dans des réactions nucléaires qui combinent deux autres noyaux de taille inégale en un seul ; grosso modo, plus les deux noyaux sont inégaux en termes de masse, plus grande est la possibilité que les deux réagissent. Le matériau constitué des noyaux les plus lourds est transformé en une cible, qui est ensuite bombardée par le faisceau de noyaux plus légers. Deux noyaux ne peuvent fusionner en un seul que s'ils se rapprochent suffisamment l'un de l'autre ; normalement, les noyaux (tous chargés positivement) se repoussent en raison de la répulsion électrostatique . L' interaction forte peut vaincre cette répulsion mais seulement à très faible distance d'un noyau ; les noyaux du faisceau sont ainsi fortement accélérés afin de rendre une telle répulsion insignifiante par rapport à la vitesse du noyau du faisceau. Se rapprocher seul ne suffit pas pour que deux noyaux fusionnent : lorsque deux noyaux se rapprochent, ils restent généralement ensemble pendant environ 10 à ²⁰  secondes puis se séparent (pas nécessairement dans la même composition qu'avant la réaction) plutôt que de former un seul noyau. Si la fusion se produit, la fusion temporaire - appelée noyau composé - est un état excité . Pour perdre son énergie d'excitation et atteindre un état plus stable, un noyau composé se fissonne ou éjecte un ou plusieurs neutrons , qui emportent l'énergie. Cela se produit environ 10 à ¹⁶  secondes après la collision initiale.

Le faisceau traverse la cible et atteint la chambre suivante, le séparateur ; si un nouveau noyau est produit, il est transporté avec ce faisceau. Dans le séparateur, le noyau nouvellement produit est séparé des autres nucléides (celui du faisceau d'origine et de tout autre produit de réaction) et transféré vers un détecteur à barrière de surface , qui arrête le noyau. L'emplacement exact de l'impact à venir sur le détecteur est marqué ; également marqués sont son énergie et l'heure de l'arrivée. Le transfert prend environ 10 ^-6  secondes ; pour être détecté, le noyau doit survivre aussi longtemps. Le noyau est enregistré à nouveau une fois sa désintégration enregistrée, et l'emplacement, l' énergie et le temps de désintégration sont mesurés.

La stabilité du noyau est assurée par l'interaction forte. Cependant, sa portée est très courte ; à mesure que les noyaux deviennent plus gros, son influence sur les nucléons les plus externes ( protons et neutrons) s'affaiblit. Dans le même temps, le noyau est déchiré par la répulsion électrostatique entre les protons, car il a une portée illimitée. Les noyaux des éléments les plus lourds sont donc théoriquement prédits et on a jusqu'à présent observé qu'ils se désintègrent principalement via des modes de désintégration provoqués par une telle répulsion : désintégration alpha et fission spontanée ; ces modes sont prédominants pour les noyaux d' éléments superlourds . Les désintégrations alpha sont enregistrées par les particules alpha émises et les produits de désintégration sont faciles à déterminer avant la désintégration réelle ; si une telle désintégration ou une série de désintégrations consécutives produit un noyau connu, le produit original d'une réaction peut être déterminé arithmétiquement. La fission spontanée, cependant, produit divers noyaux en tant que produits, de sorte que le nucléide d'origine ne peut pas être déterminé à partir de ses filles.

Les informations dont disposent les physiciens désireux de synthétiser l'un des éléments les plus lourds sont donc les informations recueillies au niveau des détecteurs : localisation, énergie et heure d'arrivée d'une particule au détecteur, et celles de sa désintégration. Les physiciens analysent ces données et cherchent à conclure qu'elles ont bien été causées par un nouvel élément et ne pouvaient pas avoir été causées par un nucléide différent de celui revendiqué. Souvent, les données fournies sont insuffisantes pour conclure qu'un nouvel élément a été définitivement créé et il n'y a pas d'autre explication pour les effets observés ; des erreurs d'interprétation des données ont été commises.

Histoire

Tentatives de synthèse

Parce que des coquilles nucléaires complètes (ou, de manière équivalente, un nombre magique de protons ou de neutrons ) peuvent conférer une stabilité supplémentaire aux noyaux d'éléments superlourds, se rapprochant du centre de l' îlot de stabilité , on pensait que la synthèse de l'élément 124 ou à proximité éléments peupleraient les noyaux à vie plus longue au sein de l'île. Les scientifiques du GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) ont tenté de mesurer la fission directe et retardée de noyaux composés d'éléments avec Z = 114, 120 et 124 afin de sonder les effets de coque dans cette région et de localiser le prochain proton sphérique coquille. En 2006, avec des résultats complets publiés en 2008, l'équipe a fourni les résultats d'une réaction impliquant le bombardement d'une cible de germanium naturel avec des ions d'uranium :

²³⁸
₉₂U
+ ^nat
₃₂Gé
→ ^{308 310 311 312 314}
Ubq
* → fission

L'équipe a indiqué qu'elle avait pu identifier la fission de noyaux composés avec des demi-vies > 10 ^-18 s. Ce résultat suggère un fort effet stabilisateur à Z = 124 et pointe vers la prochaine couche de protons à Z > 120, et non à Z = 114 comme on le pensait auparavant. Un noyau composé est une combinaison lâche de nucléons qui ne se sont pas encore organisés en couches nucléaires. Il n'a pas de structure interne et n'est maintenu que par les forces de collision entre la cible et les noyaux du projectile. On estime qu'il faut environ 10 ^-14  s pour que les nucléons s'organisent en couches nucléaires, moment auquel le noyau composé devient un nucléide , et ce nombre est utilisé par l' IUPAC comme la demi-vie minimale qu'un isotope revendiqué doit avoir pour potentiellement être reconnu comme étant découvert. Ainsi, les expériences du GANIL ne comptent pas comme une découverte de l'élément 124.

La fission du noyau composé ³¹² 124 a également été étudiée en 2006 dans l'accélérateur d'ions lourds en tandem ALPI aux Laboratori Nazionali di Legnaro (Legnaro National Laboratories) en Italie :

²³²
₉₀E
+ ⁸⁰
₃₄Se
→ ³¹²
Ubq
* → fission

À l'instar des expériences précédentes menées au JINR ( Joint Institute for Nuclear Research ), des fragments de fission se sont regroupés autour de noyaux doublement magiques tels que ¹³² Sn ( Z = 50, N = 82), révélant une tendance des noyaux superlourds à expulser ces noyaux doublement magiques dans fission. Le nombre moyen de neutrons par fission du noyau composé ³¹² 124 (par rapport aux systèmes plus légers) s'est également avéré augmenter, confirmant que la tendance des noyaux plus lourds émettant plus de neutrons pendant la fission se poursuit dans la région des masses super lourdes.

Possible occurrence naturelle

Une étude réalisée en 1976 par un groupe de chercheurs américains de plusieurs universités a proposé que les éléments superlourds primordiaux , principalement le foiemorium , l'unbiquadium, l' unbihexium et l' unbiseptium , pourraient être une cause de dommages radioactifs inexpliqués (en particulier les halos radioactifs ) dans les minéraux. Il a alors été suggéré que l'unbiquadium existe dans la nature avec son possible congénère l' uranium en quantités détectables, à une abondance relative de 10 ^-11 . On pensait que ces noyaux d'unbiquadium subissaient une désintégration alpha avec des demi-vies très longues jusqu'au flérovium , qui existerait alors dans le plomb naturel à une concentration similaire (10 ^-11 ) et subirait une fission spontanée . Cela a incité de nombreux chercheurs à les rechercher dans la nature de 1976 à 1983. Un groupe dirigé par Tom Cahill, professeur à l' Université de Californie à Davis , a affirmé en 1976 avoir détecté des particules alpha et des rayons X avec les bonnes énergies pour provoquer les dégâts constatés, justifiant la présence de ces éléments. D'autres ont affirmé qu'aucun n'avait été détecté et ont remis en question les caractéristiques proposées des noyaux superlourds primordiaux. En particulier, ils ont cité que le nombre magique N = 228 nécessaire pour une stabilité améliorée créerait un noyau excessif en neutrons dans l'unbiquadium qui ne serait pas bêta-stable . Il a également été proposé que cette activité soit causée par des transmutations nucléaires dans le cérium naturel , ce qui soulève une ambiguïté supplémentaire sur cette prétendue observation d'éléments superlourds.

L'étendue possible des éléments superlourds primordiaux sur Terre aujourd'hui est incertaine. Même s'il est confirmé qu'ils ont causé les dommages causés par les radiations il y a longtemps, ils pourraient maintenant se décomposer en de simples traces, ou même avoir complètement disparu. Il est également incertain si de tels noyaux superlourds peuvent être produits naturellement, car la fission spontanée devrait mettre fin au processus r responsable de la formation d'éléments lourds entre les nombres de masse 270 et 290, bien avant que des éléments tels que l'unbiquadium puissent être formés.

Appellation

En utilisant les recommandations de l' IUPAC de 1979 , l'élément devrait être temporairement appelé unbiquadium (symbole Ubq ) jusqu'à ce qu'il soit découvert, la découverte soit confirmée et un nom permanent choisi. Bien que largement utilisées dans la communauté chimique à tous les niveaux, des classes de chimie aux manuels avancés, les recommandations sont pour la plupart ignorées parmi les scientifiques qui travaillent théoriquement ou expérimentalement sur des éléments superlourds, qui l'appellent "élément 124", avec le symbole E124 , (124) , ou 124 . Certains chercheurs ont également qualifié l'unbiquadium d' eka-uranium , un nom dérivé du système utilisé par Dmitri Mendeleev pour prédire les éléments inconnus, bien qu'une telle extrapolation puisse ne pas fonctionner pour les éléments du bloc g sans congénères connus et que l' eka-uranium ferait plutôt référence à élément 144 ou 146 lorsque le terme est destiné à désigner l'élément directement au-dessous de l'uranium.

Difficultés de synthèse

Chaque élément à partir du mendelevium a été produit dans des réactions de fusion-évaporation, aboutissant à la découverte de l'élément le plus lourd connu, l' oganesson en 2002 et plus récemment la tennessine en 2010. Ces réactions approchaient les limites de la technologie actuelle ; par exemple, la synthèse de la tennessine a nécessité 22 milligrammes de ²⁴⁹ Bk et un intense faisceau de ⁴⁸ Ca pendant six mois. L'intensité des faisceaux dans la recherche sur les éléments superlourds ne peut pas dépasser 10 ¹² projectiles par seconde sans endommager la cible et le détecteur, et produire de plus grandes quantités de cibles d' actinides de plus en plus rares et instables est peu pratique. Par conséquent, les futures expériences doivent être réalisées dans des installations telles que l'usine d'éléments superlourds en construction (usine SHE) de l' Institut commun pour la recherche nucléaire (JINR) ou RIKEN , qui permettront aux expériences de se dérouler sur de plus longues périodes avec une détection accrue. capacités et permettre des réactions autrement inaccessibles. Même ainsi, on s'attend à ce que ce soit un grand défi de continuer au-delà des éléments 120 ou 121 étant donné les courtes demi-vies prévues et les faibles sections efficaces prévues.

La production de nouveaux éléments superlourds nécessitera des projectiles plus lourds que ⁴⁸ Ca, qui a été utilisé avec succès dans la découverte des éléments 114-118, bien que cela nécessite des réactions plus symétriques qui sont moins favorables. Par conséquent, il est probable que les réactions entre ⁵⁸ Fe et une cible de ²⁴⁹ Cf ou de ²⁵¹ Cf nouvellement disponible soient les plus prometteuses. Des études sur la fission de divers noyaux de composés superlourds ont montré que la dynamique des réactions induites par ⁴⁸ Ca et ⁵⁸ Fe est similaire, suggérant que les projectiles ⁵⁸ Fe peuvent être viables pour produire des noyaux superlourds jusqu'à Z  = 124 ou peut-être 125. Il est également possible qu'une réaction avec ²⁵¹ Cf produise le noyau composé ³⁰⁹ Ubq* avec 185 neutrons, immédiatement au-dessus de la  fermeture de coquille N = 184. Pour cette raison, le noyau composé devrait avoir une probabilité de survie relativement élevée et une faible énergie de séparation des neutrons, conduisant aux canaux 1n–3n et aux isotopes ^306–308 Ubq avec une section efficace relativement élevée. Ces dynamiques sont hautement spéculatives, car la section efficace peut être beaucoup plus faible si les tendances dans la production des éléments 112–118 se poursuivent ou si les barrières de fission sont plus faibles que prévu, quels que soient les effets de coque, entraînant une diminution de la stabilité contre la fission spontanée (qui est de importance croissante). Néanmoins, la perspective d'atteindre la couche N  = 184 du côté riche en protons de la carte des nucléides en augmentant le nombre de protons a longtemps été envisagée ; déjà en 1970, le physicien nucléaire soviétique Georgy Flyorov a suggéré de bombarder une cible de plutonium avec des projectiles de zinc pour produire des isotopes de l'élément 124 au niveau de l'  obus N = 184.

Propriétés prévues

Stabilité nucléaire et isotopes

Ce graphique nucléaire utilisé par l' Agence japonaise de l'énergie atomique prédit les modes de désintégration des noyaux jusqu'à Z  = 149 et N  = 256. Pour l'unbiquadium ( Z  = 124), il existe des régions prédites de stabilité accrue autour de N  = 184 et N  = 228, bien que de nombreux isotopes intermédiaires soient théoriquement sensibles à la fission spontanée avec des demi-vies inférieures à 1 nanoseconde .

L'unbiquadium intéresse les chercheurs en raison de sa localisation possible près du centre d'un îlot de stabilité , une région théorique comprenant des noyaux superlourds à vie plus longue. Une telle île de stabilité a été proposée pour la première fois par le professeur Glenn Seaborg de l'Université de Californie , prédisant spécifiquement une région de stabilité centrée sur l'élément 126 ( unbihexium ) et englobant les éléments voisins, y compris l'unbiquadium, avec des demi-vies pouvant aller jusqu'à 10 ⁹ ans. Dans les éléments connus, la stabilité des noyaux diminue fortement avec l'augmentation du numéro atomique après l' uranium , l' élément primordial le plus lourd , de sorte que tous les isotopes observés avec un numéro atomique supérieur à 101 se désintègrent radioactivement avec une demi-vie inférieure à un jour, à l'exception de dubnium -268 avec une demi-vie de 28 heures (1 jour et 4 heures). Néanmoins, il y a une légère augmentation de la stabilité nucléaire nucléides autour des numéros atomiques 110 - 114 , ce qui suggère la présence d'une île de stabilité. Ceci est attribué à la fermeture possible des enveloppes nucléaires dans la région des masses super - lourdes , avec des effets stabilisants qui peuvent conduire à des demi-vies de l'ordre d'années ou plus pour certains isotopes encore non découverts de ces éléments. Bien qu'elle ne soit pas encore prouvée, l'existence d'éléments superlourds aussi lourds que l' oganesson fournit la preuve de tels effets stabilisants, car les éléments avec un numéro atomique supérieur à environ 104 sont extrêmement instables dans les modèles négligeant les nombres magiques.

Dans cette région du tableau périodique, N  = 184 et N  = 228 ont été proposés comme coquilles de neutrons fermées, et divers numéros atomiques ont été proposés comme coquilles de protons fermées, y compris Z  = 124. L'île de stabilité est caractérisée par une plus longue demi- la vie des noyaux situés à proximité de ces nombres magiques, bien que l'étendue des effets stabilisateurs soit incertaine en raison des prédictions d'affaiblissement des fermetures des coquilles de protons et de la perte possible de la double magie . Des recherches plus récentes prédisent que l'îlot de stabilité sera plutôt centré sur les isotopes de copernicium bêta-stables ²⁹¹ Cn et ²⁹³ Cn, qui placeraient l'unbiquadium bien au-dessus de l'îlot et entraîneraient des demi-vies courtes indépendamment des effets de la coque. Une étude de 2016 sur les propriétés de désintégration des isotopes de l'unbiquadium ^284-339 Ubq prédit que ^284-304 Ubq se trouvent en dehors de la ligne de goutte à goutte de protons et peuvent donc être des émetteurs de protons , ^305-323 Ubq peuvent subir une désintégration alpha , avec certaines chaînes se terminant jusqu'au flerovium , et les isotopes plus lourds se désintègrent par fission spontanée . Ces résultats, ainsi que ceux d'un modèle de tunnel quantique, ne prédisent aucune demi-vie supérieure à une milliseconde pour les isotopes plus légers que ³¹⁹ Ubq, ainsi que des demi-vies particulièrement courtes pour ^309-314 Ubq dans la gamme sub-microseconde en raison de effets déstabilisants immédiatement au-dessus de la coquille à N  = 184. Cela rend l'identification de nombreux isotopes de l'unbiquadium presque impossible avec la technologie actuelle, car les détecteurs ne peuvent pas distinguer les signaux successifs rapides des désintégrations alpha dans un laps de temps inférieur à quelques microsecondes.

Les demi-vies de fission spontanée de plus en plus courtes des noyaux superlourds et la domination possible de la fission sur la désintégration alpha détermineront probablement aussi la stabilité des isotopes de l'unbiquadium. Alors que certaines demi-vies de fission constituant une "mer d'instabilité" peuvent être de l'ordre de 10 ^-18  s en raison de très faibles barrières de fission , en particulier dans les noyaux pairs-pairs en raison des effets d'appariement, des effets stabilisants à N  = 184 et N  = 228 peut permettre l'existence d'isotopes à vie relativement longue. Pour N  = 184, les demi-vies de fission peuvent augmenter, bien que les demi-vies alpha soient toujours de l'ordre de quelques microsecondes ou moins, malgré la fermeture de l'enveloppe à ³⁰⁸ Ubq. Il est également possible que l'îlot de stabilité se déplace vers la région N  = 198, où les demi-vies totales peuvent être de l'ordre de quelques secondes, contrairement aux isotopes voisins qui subiraient une fission en moins d'une microseconde. Dans la région riche en neutrons autour de N  = 228, les demi-vies alpha devraient également augmenter avec l'augmentation du nombre de neutrons , ce qui signifie que la stabilité de tels noyaux dépendrait principalement de l'emplacement de la ligne de stabilité bêta et de la résistance à la fission. Un premier calcul de P. Moller, physicien au Laboratoire national de Los Alamos , estime la demi-vie totale de ³⁵² Ubq (avec N = 228) à environ 67 secondes, et peut-être la plus longue de la région N  = 228.

Chimique

L'unbiquadium est le quatrième membre de la série des superactinides et devrait être similaire à l' uranium : les deux éléments ont six électrons de valence sur un noyau de gaz noble. Dans la série des superactinides, le principe d'Aufbau devrait s'effondrer en raison d' effets relativistes et un chevauchement des orbitales 5g, 6f, 7d et 8p est attendu. La configuration électronique à l'état fondamental de l'unbiquadium est donc prédite être [ Og ] 6f ³ 8s ² 8p ¹ ou 6f ² 8s ² 8p ² , contrairement à [ Og ] 5g ⁴ 8s ² dérivé d'Aufbau. Ce chevauchement prévu des orbitales et l'incertitude dans l'ordre de remplissage, en particulier pour les orbitales f et g, rendent les prédictions des propriétés chimiques et atomiques de ces éléments très difficiles.

Un état d'oxydation prédit de l'unbiquadium est +6, qui existerait dans les halogénures UbqX ₆ (X = un halogène), analogue à l'état d'oxydation +6 connu de l'uranium. Comme les autres premiers superactinides, les énergies de liaison des électrons de valence de l'unbiquadium devraient être suffisamment petites pour que les six participent facilement aux réactions chimiques. La configuration électronique prédite de l' ion Ubq ⁵⁺ est [Og] 6f ¹ .

Remarques

Les références

Bibliographie

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