Île de stabilité - Island of stability
En physique nucléaire , l' îlot de stabilité est un ensemble prédit d' isotopes d' éléments superlourds qui peuvent avoir des demi-vies considérablement plus longues que les isotopes connus de ces éléments. Il est prévu qu'il apparaisse comme une « île » dans la carte des nucléides , séparée des radionucléides primordiaux stables et à vie longue connus . Son existence théorique est attribuée aux effets stabilisants des « nombres magiques » prédits de protons et de neutrons dans la région des masses superlourdes.
| Physique nucléaire |
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| Nucleus · nucléons ( p , n ) · matière nucléaire · force nucléaire · Structure nucléaire · Réaction nucléaire |
Plusieurs prédictions ont été faites concernant l'emplacement exact de l'île de stabilité, bien qu'on pense généralement qu'elle se centre près des isotopes du copernicium et du flerovium à proximité de la coquille fermée de neutrons à N = 184. Ces modèles suggèrent fortement que la coquille fermée confèrent une stabilité supplémentaire vis-à-vis de la fission et de la désintégration alpha . Alors que ces effets devraient être les plus importants près des numéros atomiques Z = 114 et N = 184, la région de stabilité accrue devrait englober plusieurs éléments voisins, et il peut également y avoir des îlots de stabilité supplémentaires autour des noyaux plus lourds qui sont doublement magiques (ayant nombres magiques des protons et des neutrons). Les estimations de la stabilité des éléments sur l'île se situent généralement autour d'une demi-vie de quelques minutes ou jours; certaines estimations prédisent des demi-vies de millions d'années.
Bien que le modèle de coquille nucléaire prédisant les nombres magiques existe depuis les années 1940, l'existence de nucléides superlourds à vie longue n'a pas été définitivement démontrée. Comme le reste des éléments superlourds, les nucléides de l'île de stabilité n'ont jamais été trouvés dans la nature ; ainsi, ils doivent être créés artificiellement dans une réaction nucléaire à étudier. Les scientifiques n'ont pas trouvé le moyen de réaliser une telle réaction, car il est probable que de nouveaux types de réactions seront nécessaires pour peupler les noyaux près du centre de l'île. Néanmoins, la synthèse réussie d'éléments superlourds jusqu'à Z = 118 ( oganesson ) avec jusqu'à 177 neutrons démontre un léger effet stabilisant autour des éléments 110 à 114 qui peut se poursuivre dans des isotopes inconnus, soutenant l'existence de l'îlot de stabilité.
introduction
Stabilité des nucléides
La composition d'un nuclide ( noyau atomique ) est défini par le nombre de protons Z et le nombre de neutrons N , somme de nombre de masse A . Le nombre de protons Z , également appelé numéro atomique, détermine la position d'un élément dans le tableau périodique . Les quelque 3 300 nucléides connus sont généralement représentés dans un graphique avec Z et N pour ses axes et la demi-vie de désintégration radioactive indiquée pour chaque nucléide instable (voir figure). En 2019, 252 nucléides étaient stables (n'ayant jamais été observés en décomposition); généralement, à mesure que le nombre de protons augmente, les noyaux stables ont un rapport neutron-proton plus élevé (plus de neutrons par proton). Le dernier élément du tableau périodique qui possède un isotope stable est le plomb ( Z = 82), la stabilité (c'est-à-dire les demi-vies des isotopes à vie la plus longue) diminuant généralement dans les éléments plus lourds. Les demi-vies des noyaux diminuent également lorsqu'il existe un rapport neutron-proton déséquilibré, de sorte que les noyaux résultants ont trop peu ou trop de neutrons pour être stables.
La stabilité d'un noyau est déterminée par son énergie de liaison , une énergie de liaison plus élevée conférant une plus grande stabilité. L'énergie de liaison par nucléon augmente avec le numéro atomique jusqu'à un large plateau autour de A = 60, puis diminue. Si un noyau peut être scindé en deux parties ayant une énergie totale plus faible (conséquence du défaut de masse résultant d'une plus grande énergie de liaison), il est instable. Le noyau peut tenir ensemble pendant un temps fini car il existe une barrière potentielle s'opposant à la scission, mais cette barrière peut être franchie par effet tunnel quantique . Plus la barrière et les masses des fragments sont faibles , plus la probabilité par unité de temps d'une scission est grande.
Les protons dans un noyau sont liés entre eux par la force forte , qui contrebalance la répulsion de Coulomb entre les protons chargés positivement . Dans les noyaux plus lourds, un plus grand nombre de neutrons non chargés est nécessaire pour réduire la répulsion et conférer une stabilité supplémentaire. Même ainsi, lorsque les physiciens ont commencé à synthétiser des éléments qui ne se trouvent pas dans la nature, ils ont constaté que la stabilité diminuait à mesure que les noyaux devenaient plus lourds. Ainsi, ils ont spéculé que le tableau périodique pourrait prendre fin. Les découvreurs du plutonium (élément 94) ont envisagé de le nommer « ultimium », pensant que c'était le dernier. Suite aux découvertes d'éléments plus lourds, dont certains se désintègrent en quelques microsecondes, il semble alors que l'instabilité vis-à-vis de la fission spontanée limiterait l'existence d'éléments plus lourds. En 1939, une limite supérieure de synthèse potentielle d'éléments a été estimée autour de l' élément 104 , et suite aux premières découvertes d' éléments transactinides au début des années 1960, cette prédiction de limite supérieure a été étendue à l' élément 108 .
Chiffres magiques
Dès 1914, l'existence possible d' éléments superlourds avec des numéros atomiques bien au-delà de celui de l'uranium - alors l'élément le plus lourd connu - a été suggérée, lorsque le physicien allemand Richard Swinne a proposé que les éléments superlourds autour de Z = 108 étaient une source de rayonnement dans les rayons cosmiques. . Bien qu'il n'ait fait aucune observation définitive, il a émis l'hypothèse en 1931 que les éléments transuraniens autour de Z = 100 ou Z = 108 peuvent avoir une durée de vie relativement longue et peuvent exister dans la nature. En 1955, le physicien américain John Archibald Wheeler a également proposé l'existence de ces éléments ; il est crédité de la première utilisation du terme « élément superlourd » dans un article de 1958 publié avec Frederick Werner. Cette idée n'a suscité un grand intérêt qu'une décennie plus tard, après des améliorations du modèle d'obus nucléaire . Dans ce modèle, le noyau atomique est constitué de "coquilles", analogues aux coquilles d'électrons dans les atomes. Indépendamment les uns des autres, les neutrons et les protons ont des niveaux d'énergie qui sont normalement proches les uns des autres, mais une fois qu'une coquille donnée est remplie, il faut beaucoup plus d'énergie pour commencer à remplir la suivante. Ainsi, l'énergie de liaison par nucléon atteint un maximum local et les noyaux avec des coquilles remplies sont plus stables que ceux sans. Cette théorie d'un modèle d'obus nucléaire trouve son origine dans les années 1930, mais ce n'est qu'en 1949 que les physiciens allemands Maria Goeppert Mayer et Johannes Hans Daniel Jensen et al. indépendamment conçu la formulation correcte.
Les nombres de nucléons pour lesquels les coquilles sont remplies sont appelés nombres magiques . Des nombres magiques de 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126 ont été observés pour les neutrons, et le prochain nombre devrait être 184. Les protons partagent les six premiers de ces nombres magiques, et 126 a été prédit comme un nombre magique. nombre de protons depuis les années 1940. Les nucléides avec un nombre magique de chacun, tels que 16 O ( Z = 8, N = 8), 132 Sn ( Z = 50, N = 82) et 208 Pb ( Z = 82, N = 126) - sont appelés comme « doublement magique » et sont plus stables que les nucléides voisins en raison de plus grandes énergies de liaison.
À la fin des années 1960, des modèles de coques plus sophistiqués ont été formulés par le physicien américain William Myers et le physicien polonais Władysław Świątecki , et indépendamment par le physicien allemand Heiner Meldner (1939-2019). Avec ces modèles, prenant en compte la répulsion de Coulomb, Meldner a prédit que le prochain nombre magique de protons pourrait être 114 au lieu de 126. Myers et Świątecki semblent avoir inventé le terme « île de stabilité », et le chimiste américain Glenn Seaborg , plus tard un découvreur de bon nombre des éléments superlourds, ont rapidement adopté le terme et l'ont promu. Myers et Świątecki ont également proposé que certains noyaux superlourds auraient une durée de vie plus longue en raison de barrières de fission plus élevées . D'autres améliorations apportées au modèle de coque nucléaire par le physicien soviétique Vilen Strutinsky ont conduit à l'émergence de la méthode macroscopique-microscopique, un modèle de masse nucléaire qui prend en compte à la fois les tendances lisses caractéristiques du modèle de goutte liquide et les fluctuations locales telles que les effets de coque. Cette approche a permis au physicien suédois Sven Nilsson et al., ainsi qu'à d'autres groupes, de faire les premiers calculs détaillés de la stabilité des noyaux dans l'île. Avec l'émergence de ce modèle, Strutinsky, Nilsson et d'autres groupes ont plaidé en faveur de l'existence du nucléide doublement magique 298 Fl ( Z = 114, N = 184), plutôt que 310 Ubh ( Z = 126, N = 184) qui était prédit être doublement magique dès 1957. Par la suite, les estimations du nombre magique de protons ont varié de 114 à 126, et il n'y a toujours pas de consensus.
Découvertes
| Élément | Numéro atomique |
Isotope le
plus stable |
Demi-vie | |
|---|---|---|---|---|
| Publications |
NUBASE 2016 |
|||
| Rutherfordium | 104 | 267 Rf | 1,3 heures | 2,5 heures |
| Dubnium | 105 | 268 Db | 1,2 jours | 1.1 j |
| Seaborgium | 106 | 269 Sg | 14 minutes | 5 minutes |
| Bohrium | 107 | 270 Bh | 1 minute | 3,8 minutes |
| Hassium | 108 | 269 heures | 9,7 s | 16 s |
| Meitnerium | 109 | 278 Mont | 4,5 s | 7 s |
| Darmstadtium | 110 | 281 DS | 12,7 s | 14 s |
| Roentgenium | 111 | 282 RG | 1,7 minute | 1,6 minutes |
| Copernicium | 112 | 285 Cn | 28 s | 32 s |
| Nihonium | 113 | 286 Nh | 9,5 s | 7 s |
| Flérovium | 114 | 289 étage | 1,9 s | 2,4 s |
| Moscou | 115 | 290 Mc | 650 millisecondes | 410 ms |
| Livermorium | 116 | 293 Niv | 57 ms | 80 ms |
| Tennessine | 117 | 294 T | 51 ms | 70 millisecondes |
| Oganesson | 118 | 294 og | 690 µs | 1,15 milliseconde |
L'intérêt pour un éventuel îlot de stabilité s'est accru tout au long des années 1960, certains calculs suggérant qu'il pourrait contenir des nucléides avec des demi-vies de milliards d'années. Ils étaient également prédits comme étant particulièrement stables contre la fission spontanée malgré leur masse atomique élevée. On pensait que si de tels éléments existent et ont une durée de vie suffisamment longue, il pourrait y avoir plusieurs nouvelles applications en raison de leurs propriétés nucléaires et chimiques. Celles-ci incluent l'utilisation dans les accélérateurs de particules comme sources de neutrons , dans les armes nucléaires en raison de leurs faibles masses critiques prévues et du nombre élevé de neutrons émis par fission, et comme combustible nucléaire pour alimenter des missions spatiales. Ces spéculations ont conduit de nombreux chercheurs à rechercher des éléments superlourds dans les années 1960 et 1970, à la fois dans la nature et par nucléosynthèse dans les accélérateurs de particules.
Au cours des années 1970, de nombreuses recherches de noyaux superlourds à vie longue ont été menées. Des expériences visant à synthétiser des éléments dont le numéro atomique va de 110 à 127 ont été menées dans des laboratoires du monde entier. Ces éléments ont été recherchés dans des réactions de fusion-évaporation, dans lesquelles une cible lourde constituée d'un nucléide est irradiée par des ions accélérés d'un autre dans un cyclotron , et de nouveaux nucléides sont produits après la fusion de ces noyaux et le système excité résultant libère de l'énergie en évaporant plusieurs particules (généralement des protons, des neutrons ou des particules alpha). Ces réactions sont divisées en fusion "froide" et "chaude", qui créent respectivement des systèmes avec des énergies d' excitation inférieures et supérieures ; ceci affecte le rendement de la réaction. Par exemple, la réaction entre 248 Cm et 40 Ar devait produire des isotopes de l'élément 114, et celle entre 232 Th et 84 Kr devait produire des isotopes de l'élément 126. Aucune de ces tentatives n'a réussi, ce qui indique que de telles expériences peuvent avoir été insuffisamment sensible si les sections efficaces de réaction étaient faibles - entraînant des rendements inférieurs - ou que tout noyau atteignable via de telles réactions de fusion-évaporation pourrait être de trop courte durée pour être détecté. Des expériences réussies ultérieures révèlent que les demi-vies et les sections efficaces diminuent en effet avec l'augmentation du nombre atomique, ce qui entraîne la synthèse de seulement quelques atomes à courte durée de vie des éléments les plus lourds dans chaque expérience.
Des recherches similaires dans la nature ont également échoué, suggérant que si des éléments superlourds existent dans la nature, leur abondance est inférieure à 10-14 moles d'éléments superlourds par mole de minerai. Malgré ces tentatives infructueuses d'observer des noyaux superlourds à vie longue, de nouveaux éléments superlourds ont été synthétisés toutes les quelques années dans les laboratoires par bombardement d'ions légers et réactions de fusion froide ; le rutherfordium, le premier transactinide , a été découvert en 1969, et le copernicium, huit protons plus proche de l'îlot de stabilité prédit à Z = 114, a été atteint en 1996. Même si les demi-vies de ces noyaux sont très courtes (de l'ordre de secondes ), l'existence même d'éléments plus lourds que le rutherfordium est révélatrice d'effets stabilisants que l'on pense causés par des coquilles fermées ; un modèle ne considérant pas de tels effets interdirait l'existence de ces éléments en raison de la fission spontanée rapide.
Le flerovium, avec les 114 protons magiques attendus, a été synthétisé pour la première fois en 1998 à l' Institut commun de recherche nucléaire de Doubna , en Russie, par un groupe de physiciens dirigé par Yuri Oganessian . Un seul atome de l'élément 114 a été détecté, avec une durée de vie de 30,4 secondes, et ses produits de désintégration avaient des demi-vies mesurables en minutes. Parce que les noyaux produits ont subi une désintégration alpha plutôt qu'une fission, et que les demi-vies étaient de plusieurs ordres de grandeur plus longues que celles précédemment prédites ou observées pour les éléments superlourds, cet événement a été considéré comme un "exemple classique" d'une chaîne de désintégration caractéristique de l'île. de stabilité, fournissant des preuves solides de l'existence d'un îlot de stabilité dans cette région. Même si la chaîne originale de 1998 n'a pas été observée à nouveau et que son affectation reste incertaine, d'autres expériences réussies au cours des deux prochaines décennies ont conduit à la découverte de tous les éléments jusqu'à oganesson , dont les demi-vies ont dépassé les valeurs initialement prévues; ces propriétés de désintégration soutiennent en outre la présence de l'îlot de stabilité. Cependant, une étude de 2021 sur les chaînes de désintégration des isotopes du flérovium suggère qu'il n'y a pas d'effet stabilisateur fort de Z = 114 dans la région des noyaux connus ( N = 174) et qu'une stabilité supplémentaire serait principalement une conséquence de la fermeture de la couche de neutrons. . Bien que les noyaux connus tombent encore plusieurs neutrons en deçà de N = 184 où une stabilité maximale est attendue (les noyaux confirmés les plus riches en neutrons, 293 Lv et 294 Ts, n'atteignent que N = 177), et l'emplacement exact du centre de l'île reste inconnue, la tendance à l'augmentation de la stabilité plus proche de N = 184 a été démontrée. Par exemple, l'isotope 285 Cn, avec huit neutrons de plus que le 277 Cn, a une demi-vie plus longue de près de cinq ordres de grandeur. Cette tendance devrait se poursuivre pour les isotopes plus lourds inconnus.
Noyaux déformés
Bien que les noyaux de l'îlot de stabilité autour de N = 184 soient prédits comme sphériques , des études du début des années 1990 - à commencer par les physiciens polonais Zygmunt Patyk et Adam Sobiczewski en 1991 - suggèrent que certains éléments superlourds n'ont pas de noyaux parfaitement sphériques. Un changement dans la forme du noyau modifie la position des neutrons et des protons dans la coquille. La recherche indique que les grands noyaux plus éloignés des nombres magiques sphériques sont déformés , provoquant le déplacement des nombres magiques ou l'apparition de nouveaux nombres magiques. Les recherches théoriques actuelles indiquent que dans la région Z = 106–108 et N 160–164, les noyaux peuvent être plus résistants à la fission en raison des effets de coque pour les noyaux déformés ; ainsi, de tels noyaux superlourds ne subiraient que la désintégration alpha. On pense maintenant que l'Hassium-270 est un noyau déformé doublement magique, avec des nombres magiques déformés Z = 108 et N = 162. Il a une demi-vie de 9 secondes. Ceci est cohérent avec les modèles qui prennent en compte la nature déformée des noyaux intermédiaires entre les actinides et l'îlot de stabilité proche de N = 184, dans lesquels une "péninsule" de stabilité émerge aux nombres magiques déformés Z = 108 et N = 162. Détermination de la les propriétés de désintégration des isotopes voisins du hassium et du seaborgium près de N = 162 fournissent une preuve supplémentaire solide de cette région de stabilité relative dans les noyaux déformés. Cela suggère également fortement que l'îlot de stabilité (pour les noyaux sphériques) n'est pas complètement isolé de la région des noyaux stables, mais plutôt que les deux régions sont plutôt liées par un isthme de noyaux déformés relativement stables.
Propriétés de désintégration prévues
Les demi-vies des noyaux dans l'île de stabilité elle-même sont inconnues puisqu'aucun des nucléides qui seraient « sur l'île » n'a été observé. De nombreux physiciens pensent que les demi-vies de ces noyaux sont relativement courtes, de l'ordre de quelques minutes ou jours. Certains calculs théoriques indiquent que leurs demi-vies peuvent être longues, de l'ordre de 100 ans, voire jusqu'à 10 9 ans.
La fermeture de la coquille à N = 184 devrait entraîner des demi-vies partielles plus longues pour la désintégration alpha et la fission spontanée. On pense que la fermeture de la coquille entraînera des barrières de fission plus élevées pour les noyaux autour de 298 Fl, ce qui entravera fortement la fission et entraînera peut-être des demi-vies de fission supérieures de 30 ordres de grandeur à celles des noyaux non affectés par la fermeture de la coquille. Par exemple, l'isotope déficient en neutrons 284 Fl (avec N = 170) subit une fission avec une demi-vie de 2,5 millisecondes et est considéré comme l'un des nucléides les plus déficients en neutrons avec une stabilité accrue au voisinage de N = Fermeture coquille 184. Au-delà de ce point, certains isotopes non découverts devraient subir une fission avec des demi-vies encore plus courtes, limitant l'existence et l'observation possible de noyaux superlourds loin de l'îlot de stabilité (à savoir pour N < 170 ainsi que pour Z > 120 et N > 184). Ces noyaux peuvent subir une désintégration alpha ou une fission spontanée en quelques microsecondes ou moins, avec des demi-vies de fission estimées de l'ordre de 10 à 20 secondes en l'absence de barrières de fission. En revanche, 298 Fl (prévu pour se situer dans la région des effets de coque maximum) peut avoir une demi-vie de fission spontanée beaucoup plus longue, peut-être de l'ordre de 1019 ans.
Au centre de l'île, il peut y avoir une compétition entre la désintégration alpha et la fission spontanée, bien que le rapport exact dépende du modèle. Les demi-vies de désintégration alpha de 1700 noyaux avec 100 ≤ Z ≤ 130 ont été calculées dans un modèle d'effet tunnel quantique avec des valeurs Q de désintégration alpha expérimentales et théoriques , et sont en accord avec les demi-vies observées pour certains des isotopes les plus lourds.
Les nucléides à vie la plus longue devraient également se trouver sur la ligne de stabilité bêta , car la désintégration bêta devrait entrer en compétition avec les autres modes de désintégration près du centre prévu de l'île, en particulier pour les isotopes des éléments 111-115. Contrairement aux autres modes de désintégration prévus pour ces nucléides, la désintégration bêta ne modifie pas le nombre de masse. Au lieu de cela, un neutron est converti en proton ou vice versa, produisant une isobare adjacente plus proche du centre de stabilité (l'isobare avec le plus faible excès de masse ). Par exemple, des branches de désintégration bêta significatives peuvent exister dans des nucléides tels que 291 Fl et 291 Nh; ces nucléides n'ont que quelques neutrons de plus que les nucléides connus et pourraient se désintégrer via une "voie étroite" vers le centre de l'île de stabilité. Le rôle possible de la désintégration bêta est très incertain, car certains isotopes de ces éléments (tels que 290 Fl et 293 Mc) devraient avoir des demi-vies partielles plus courtes pour la désintégration alpha. La désintégration bêta réduirait la compétition et aurait pour résultat que la désintégration alpha resterait le canal de désintégration dominant, à moins qu'une stabilité supplémentaire envers la désintégration alpha n'existe dans les isomères superdéformés de ces nucléides.
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Considérant tous les modes de désintégration, divers modèles indiquent un déplacement du centre de l'île (c'est-à-dire le nucléide le plus ancien) de 298 Fl à un numéro atomique inférieur, et une compétition entre la désintégration alpha et la fission spontanée dans ces nucléides ; ceux-ci comprennent des demi-vies de 100 ans pour le 291 Cn et 293 Cn, une demi-vie de 1 000 ans pour le 296 Cn, une demi-vie de 300 ans pour 294 Ds et une demi-vie de 3 500 ans pour 293 Ds, avec 294 Ds et 296 Cn exactement à la fermeture de la coque N = 184. Il a également été postulé que cette région de stabilité améliorée pour les éléments avec 112 ≤ Z ≤ 118 pourrait plutôt être une conséquence de la déformation nucléaire, et que le véritable centre de l'îlot de stabilité pour les noyaux superlourds sphériques se situe autour de 306 Ubb ( Z = 122 , N = 184). Ce modèle définit l'îlot de stabilité comme la région avec la plus grande résistance à la fission plutôt que les demi-vies totales les plus longues ; le nucléide 306 Ubb est toujours prévu pour avoir une courte demi-vie par rapport à la désintégration alpha.
Un autre mode de désintégration potentiellement important pour les éléments les plus lourds de superlourds a été proposé d'être la désintégration groupe par les physiciens roumain Dorin N. Poenaru et Radu A. Gherghescu et physicien allemand Walter Greiner . Son rapport de ramification par rapport à la désintégration alpha devrait augmenter avec le numéro atomique de sorte qu'il peut rivaliser avec la désintégration alpha autour de Z = 120, et peut-être devenir le mode de désintégration dominant pour les nucléides plus lourds autour de Z = 124. En tant que tel, il devrait jouer un rôle plus important au-delà du centre de l'île de stabilité (bien que toujours influencé par les effets de coque), à moins que le centre de l'île se trouve à un numéro atomique plus élevé que prévu.
Possible occurrence naturelle
Même si des demi-vies de centaines ou de milliers d'années seraient relativement longues pour les éléments superlourds, elles sont bien trop courtes pour que de tels nucléides existent primordialement sur Terre. De plus, l'instabilité des noyaux intermédiaires entre les actinides primordiaux ( 232 Th , 235 U et 238 U ) et l'îlot de stabilité peut inhiber la production de noyaux au sein de l'îlot lors de la nucléosynthèse du processus r . Divers modèles suggèrent que la fission spontanée sera le mode de désintégration dominant des noyaux avec A > 280, et que la fission induite par les neutrons ou à retard bêta - respectivement la capture des neutrons et la désintégration bêta immédiatement suivies de la fission - deviendront les principaux canaux de réaction. En conséquence, la désintégration bêta vers l'île de stabilité peut ne se produire que dans un chemin très étroit ou peut être entièrement bloquée par la fission, empêchant ainsi la synthèse de nucléides dans l'île. La non-observation de nucléides superlourds tels que 292 Hs et 298 Fl dans la nature est considérée comme une conséquence d'un faible rendement dans le processus r résultant de ce mécanisme, ainsi que de demi-vies trop courtes pour permettre à des quantités mesurables de persister dans la nature.
Malgré ces obstacles à leur synthèse, une étude de 2013 publiée par un groupe de physiciens russes dirigé par Valeriy Zagrebaev propose que les isotopes du copernicium à la durée de vie la plus longue puissent se produire à une abondance de 10 -12 par rapport au plomb, de sorte qu'ils pourraient être détectables dans les rayons cosmiques. . De même, dans une expérience de 2013, un groupe de physiciens russes dirigé par Aleksandr Bagulya a signalé l'observation possible de trois noyaux superlourds cosmogéniques dans des cristaux d' olivine dans des météorites. Le numéro atomique de ces noyaux a été estimé entre 105 et 130, avec un noyau probablement limité entre 113 et 129, et leur durée de vie a été estimée à au moins 3 000 ans. Bien que cette observation n'ait pas encore été confirmée par des études indépendantes, elle suggère fortement l'existence de l'îlot de stabilité et est cohérente avec les calculs théoriques des demi-vies de ces nucléides.
Synthèse possible et difficultés
La fabrication de noyaux sur l'îlot de stabilité s'avère très difficile car les noyaux disponibles comme matières premières ne délivrent pas la somme de neutrons nécessaire. Les faisceaux d'ions radioactifs (tels que 44 S) en combinaison avec des cibles d'actinides (telles que 248 Cm ) peuvent permettre la production de noyaux plus riches en neutrons plus près du centre de l'île de stabilité, bien que de tels faisceaux ne soient pas actuellement disponibles dans les intensités requises. de mener de telles expériences. Plusieurs isotopes plus lourds tels que 250 Cm et 254 Es peuvent encore être utilisables comme cibles, permettant la production d'isotopes avec un ou deux neutrons de plus que les isotopes connus, bien que la production de plusieurs milligrammes de ces isotopes rares pour créer une cible soit difficile. Il peut également être possible de sonder des canaux de réaction alternatifs dans les mêmes réactions de fusion-évaporation induites par le 48 Ca qui peuplent les isotopes connus les plus riches en neutrons, à savoir le pxn et le αxn (émission d'un proton ou d' une particule alpha , respectivement, suivie de plusieurs neutrons). Cela peut permettre la synthèse d'isotopes enrichis en neutrons des éléments 111-117. Bien que les sections efficaces prévues soient de l'ordre de 1 à 900 fb , plus petites que celles des canaux xn (émission de neutrons uniquement), il peut toujours être possible de générer des isotopes d'éléments superlourds autrement inaccessibles dans ces réactions. Certains de ces isotopes plus lourds (tels que 291 Mc, 291 Fl et 291 Nh) peuvent également subir une capture d'électrons (convertissant un proton en un neutron) en plus de la désintégration alpha avec des demi-vies relativement longues, se désintégrant en noyaux tels que 291 Cn qui devraient se trouver près du centre de l'île de stabilité. Cependant, cela reste largement hypothétique car aucun noyau superlourd près de la ligne de stabilité bêta n'a encore été synthétisé et les prédictions de leurs propriétés varient considérablement selon les différents modèles.
Le processus de capture lente des neutrons utilisé pour produire des nucléides aussi lourds que 257 Fm est bloqué par des isotopes à courte durée de vie du fermium qui subissent une fission spontanée (par exemple, 258 Fm a une demi-vie de 370 µs); c'est ce qu'on appelle le "fermium gap" et empêche la synthèse d'éléments plus lourds dans une telle réaction. Il pourrait être possible de contourner cet écart, ainsi qu'une autre région d'instabilité prédite autour de A = 275 et Z = 104–108, dans une série d'explosions nucléaires contrôlées avec un flux de neutrons plus élevé (environ mille fois supérieur aux flux dans les réacteurs) qui imite le processus r astrophysique . Proposée pour la première fois en 1972 par Meldner, une telle réaction pourrait permettre la production de quantités macroscopiques d'éléments superlourds au sein de l'îlot de stabilité ; le rôle de la fission dans les nucléides superlourds intermédiaires est très incertain et peut fortement influencer le rendement d'une telle réaction.
Il peut également être possible de générer des isotopes dans l'îlot de stabilité tels que 298 Fl dans des réactions de transfert multinucléon dans des collisions à basse énergie de noyaux d' actinides (tels que 238 U et 248 Cm). Ce mécanisme de quasifission inverse (fusion partielle suivie d'une fission, avec un décalage par rapport à l'équilibre de masse qui se traduit par des produits plus asymétriques) peut ouvrir la voie à l'îlot de stabilité si les effets de coque autour de Z = 114 sont suffisamment forts, bien que des éléments plus légers tels que nobelium et seaborgium ( Z = 102–106) devraient avoir des rendements plus élevés. Les études préliminaires des réactions de transfert 238 U + 238 U et 238 U + 248 Cm n'ont pas réussi à produire des éléments plus lourds que le mendelevium ( Z = 101), bien que le rendement accru dans cette dernière réaction suggère que l'utilisation de cibles encore plus lourdes telles que 254 Es (si disponible) peut permettre la production d'éléments superlourds. Ce résultat est corroboré par un calcul ultérieur suggérant que le rendement en nucléides superlourds (avec Z ≤ 109) sera probablement plus élevé dans les réactions de transfert utilisant des cibles plus lourdes. Une étude de 2018 de la réaction 238 U + 232 Th au Texas A&M Cyclotron Institute par Sara Wuenschel et al. ont trouvé plusieurs désintégrations alpha inconnues qui peuvent éventuellement être attribuées à de nouveaux isotopes riches en neutrons d'éléments superlourds avec 104 < Z < 116, bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour déterminer sans ambiguïté le numéro atomique des produits. Ce résultat suggère fortement que les effets de coque ont une influence significative sur les sections efficaces, et que l'îlot de stabilité pourrait éventuellement être atteint dans des expériences futures avec des réactions de transfert.
D'autres îlots de stabilité
D'autres fermetures de coque au-delà de l'îlot de stabilité principal au voisinage de Z = 112-114 peuvent donner lieu à des îlots de stabilité supplémentaires. Bien que les prédictions pour l'emplacement des prochains nombres magiques varient considérablement, on pense qu'il existe deux îles importantes autour de noyaux doublement magiques plus lourds ; le premier près de 354 126 (avec 228 neutrons) et le second près de 472 164 ou 482 164 (avec 308 ou 318 neutrons). Les nucléides au sein de ces deux îlots de stabilité pourraient être particulièrement résistants à la fission spontanée et avoir des demi-vies de désintégration alpha mesurables en années, ayant ainsi une stabilité comparable à celle des éléments à proximité de flerovium . D'autres régions de stabilité relative peuvent également apparaître avec des fermetures de coquilles de protons plus faibles dans les nucléides bêta-stables ; de telles possibilités incluent des régions proches de 342 126 et 462 154. Une répulsion électromagnétique considérablement plus grande entre les protons dans de tels noyaux lourds peut réduire considérablement leur stabilité et éventuellement restreindre leur existence à des îles localisées à proximité des effets de coque. Cela peut avoir pour conséquence d'isoler ces îles de la carte principale des nucléides , car les nucléides intermédiaires et peut-être les éléments d'une "mer d'instabilité" subiraient rapidement une fission et seraient pratiquement inexistants. Il est également possible qu'au-delà d'une région de stabilité relative autour de l'élément 126, des noyaux plus lourds se trouvent au-delà d'un seuil de fission donné par le modèle de la goutte liquide et subissent ainsi une fission avec des durées de vie très courtes, les rendant pratiquement inexistants même à proximité de nombres magiques plus grands. .
Il a également été postulé que dans la région au-delà de A > 300, un « continent de stabilité » entier constitué d'une phase hypothétique de matière de quarks stable , comprenant des quarks circulant librement vers le haut et vers le bas plutôt que des quarks liés à des protons et des neutrons, peut exister. Une telle forme de matière est théorisée comme un état fondamental de la matière baryonique avec une plus grande énergie de liaison par baryon que la matière nucléaire , favorisant la désintégration de la matière nucléaire au-delà de ce seuil de masse en matière de quarks. Si cet état de la matière existe, il pourrait éventuellement être synthétisé dans les mêmes réactions de fusion conduisant à des noyaux superlourds normaux, et serait stabilisé contre la fission en raison de sa liaison plus forte qui suffit à surmonter la répulsion de Coulomb.
Voir également
Remarques
Les références
Bibliographie
- Emsley, J. (2011). Les blocs de construction de la nature : Un guide de A à Z des éléments (le nouveau rédacteur). Presses de l'Université d'Oxford. ISBN 978-0-19-960563-7.
- Hoffman, DC ; Ghiorso, A. ; Seaborg, GT (2000). Les personnes transuraniennes : l'histoire de l'intérieur . Scientifique du monde. ISBN 978-1-78326-244-1.
- Kragh, H. (2018). Des éléments transuraniens aux éléments superlourds : une histoire de conflit et de création . Springer. ISBN 978-3-319-75813-8.
- Lodhi, MAK, éd. (1978). Éléments superlourds : Actes du Symposium international sur les éléments superlourds . Presse de Pergame. ISBN 978-0-08-022946-1.
- Podgorsak, EB (2016). Physique des rayonnements pour les physiciens médicaux (3e éd.). Springer. ISBN 978-3-319-25382-4.
Liens externes
- Île oh ! ( Nature , 2006, avec diagramme JINR des nucléides lourds et îlot de stabilité prédit)
- Des éléments superlourds (tels que Z = 116 ou 118) peuvent-ils être formés dans une supernova ? Peut-on les observer ? ( Cornell , 2004 – "peut-être")
- Deuxième carte postale de l'île de stabilité ( CERN , 2001 ; nucléides avec 116 protons et masse 292)
- Première carte postale de l'île de stabilité nucléaire ( CERN , 1999; premiers Z = 114 atomes)