Groupe d'éléments chimiques de l'élément transuranium

Élément transuranium, tout élément chimique situé au-delà de l'uranium dans le tableau périodique, c'est-à-dire ceux dont le nombre atomique est supérieur à 92. Vingt-six de ces éléments ont été découverts et nommés ou attendent la confirmation de leur découverte. Onze d'entre eux, du neptunium au lawrencium, appartiennent à la série des actinoïdes. Les autres, qui ont des numéros atomiques supérieurs à 103, sont appelés transactinoïdes. Tous les éléments transuraniens sont instables, en décomposition radioactive, avec des demi-vies allant de dizaines de millions d'années à de simples fractions de seconde.

Étant donné que seuls deux des éléments transuraniens ont été trouvés dans la nature (neptunium et plutonium) et ceux uniquement en quantités infimes, la synthèse de ces éléments par des réactions nucléaires a été une source importante de connaissances à leur sujet. Ces connaissances ont élargi la compréhension scientifique de la structure fondamentale de la matière et permettent de prédire l'existence et les propriétés de base d'éléments beaucoup plus lourds que ceux actuellement connus. La théorie actuelle suggère que le nombre atomique maximal pourrait se situer entre 170 et 210, si l'instabilité nucléaire n'empêchait pas l'existence de tels éléments. Tous ces éléments encore inconnus sont inclus dans le groupe transuranium.

Découverte des premiers éléments transuraniens

La première tentative de préparation d'un élément transuranium a été faite en 1934 à Rome, où une équipe de physiciens italiens dirigée par Enrico Fermi et Emilio Segrè a bombardé des noyaux d'uranium avec des neutrons libres. Bien que des espèces de transuranium aient pu être produites, l'expérience a abouti à la découverte de la fission nucléaire plutôt que de nouveaux éléments. (Les scientifiques allemands Otto Hahn, Fritz Strassman et Lise Meitner ont montré que les produits trouvés par Fermi étaient des éléments connus plus légers formés par le fractionnement ou la fission de l'uranium.) Ce n'est qu'en 1940 qu'un élément transuranium a été produit et identifié pour la première fois de manière positive et identifié, lorsque deux physiciens américains, Edwin Mattison McMillan et Philip Hauge Abelson, travaillant à l'Université de Californie à Berkeley, ont exposé l'oxyde d'uranium aux neutrons d'une cible cyclotron. Un des produits résultants était un élément ayant un numéro atomique de 93. Il a été nommé neptunium.

Les transformations dans les noyaux atomiques sont représentées par des équations qui équilibrent toutes les particules de matière et l'énergie impliquée avant et après la réaction. La transformation ci-dessus de l'uranium en neptunium peut s'écrire comme suit:

Dans la première équation, le symbole atomique de l'isotope particulier ayant réagi, dans ce cas U pour l'uranium, est donné avec son numéro de masse en haut à gauche et son numéro atomique en bas à gauche: ²³⁸ ₉₂ U. L'isotope uranium-238 réagit avec un neutron (symbolisé n, avec sa masse numéro 1 en haut à gauche et sa charge électrique neutre indiquée par 0 en bas à gauche) pour produire de l'uranium-239 (²³⁹ ₉₂ U) et le quantum d'énergie appelé rayon gamma (γ). Dans l'équation suivante, la flèche représente une perte spontanée d'une particule bêta négative (symbolisée β ^-), un électron à très grande vitesse, provenant du noyau de l'uranium-239. Ce qui s'est passé, c'est qu'un neutron dans le noyau a été transformé en proton, avec l'émission d'une particule bêta qui emporte une seule charge négative; le noyau résultant a maintenant une charge positive de plus qu'avant l'événement et a donc un numéro atomique de 93. Parce que la particule bêta a une masse négligeable, le nombre de masse du noyau n'a pas changé, cependant, et est toujours 239. Le le noyau résultant de ces événements est un isotope de l'élément neptunium, numéro atomique 93 et ​​numéro de masse 239. Le processus ci-dessus est appelé désintégration négative des particules bêta. Un noyau peut également émettre un positron, ou électron positif, transformant ainsi un proton en neutron et réduisant la charge positive de un (mais sans changer le nombre de masse); ce processus est appelé désintégration positive des particules bêta. Dans un autre type de désintégration bêta, un proton nucléaire est transformé en neutron lorsque le noyau, au lieu d'émettre une particule bêta, «capture» ou absorbe l'un des électrons en orbite autour du noyau; ce processus de capture d'électrons (désintégration EC) est préféré à l'émission de positrons dans les noyaux transuraniens.

La découverte du prochain élément après le neptunium a suivi rapidement. En 1941, trois chimistes américains, Glenn T. Seaborg, Joseph W. Kennedy et Arthur C. Wahl, ont produit et identifié chimiquement l'élément 94, appelé plutonium (Pu). En 1944, après de nouvelles découvertes, Seaborg a émis l'hypothèse qu'une nouvelle série d'éléments appelée la série des actinoïdes, semblable à la série des lanthanoïdes (éléments 58–71), était en cours de production, et que cette nouvelle série a commencé avec du thorium (Th), numéro atomique 90. Par la suite, des découvertes ont été recherchées et réalisées conformément à cette hypothèse.

Synthèse des éléments transuraniens

L'isotope le plus abondant du neptunium est le neptunium-237. Le neptunium-237 a une demi-vie de 2,1 × 10 ⁶ ans et se désintègre par l'émission de particules alpha. (Les particules alpha sont composées de deux neutrons et de deux protons et sont en fait le noyau très stable de l'hélium.) Le neptunium-237 est formé en quantités de kilogrammes comme sous-produit de la production à grande échelle de plutonium dans les réacteurs nucléaires. Cet isotope est synthétisé à partir du combustible du réacteur uranium-235 par la réaction

et de l'uranium-238 par

Le plutonium, comme l'isotope plutonium-239, est produit en quantités de tonnes dans les réacteurs nucléaires par la séquence

En raison de sa capacité à subir la fission avec des neutrons de toutes les énergies, le plutonium-239 a des applications pratiques considérables comme source d'énergie dans les armes nucléaires et comme combustible dans les réacteurs nucléaires.

La méthode de production d'éléments discutée jusqu'à présent a été celle de la capture successive de neutrons résultant de l'irradiation intensive continue avec des neutrons lents (de faible énergie) d'une cible actinoïde. La séquence des nucléides qui peuvent être synthétisés dans les réacteurs nucléaires par ce processus est représentée sur la figure, dans laquelle la ligne de lumière indique le chemin principal de capture des neutrons (flèches horizontales) et de désintégration négative des particules bêta (flèches vers le haut) qui se traduit par successivement des éléments plus lourds et des numéros atomiques plus élevés. (Les flèches vers le bas représentent la décroissance de la capture d'électrons.) Les lignes plus lourdes montrent des chemins subsidiaires qui augmentent le chemin principal. La voie principale se termine au fermium-257, car la courte demi-vie du prochain isotope du fermium (fermium-258) - pour la désintégration radioactive par fission spontanée (370 microsecondes) - exclut sa production et la production d'isotopes d'éléments au-delà du fermium par ça signifie.

Des isotopes lourds de certains éléments transuraniens sont également produits lors d'explosions nucléaires. Typiquement, dans de tels événements, une cible d'uranium est bombardée par un nombre élevé de neutrons rapides (à haute énergie) pendant une petite fraction de seconde, un processus connu sous le nom de capture rapide de neutrons, ou le processus r (contrairement à la capture de neutrons lents, ou processus s, décrite ci-dessus). Les explosions souterraines d'engins explosifs nucléaires à la fin des années 1960 ont entraîné la production de quantités importantes d'isotopes de l'einsteinium et du fermium, qui ont été séparés des débris rocheux par des techniques d'extraction et un traitement chimique. Encore une fois, l'isotope le plus lourd trouvé était celui du fermium-257.

Une méthode importante de synthèse d'isotopes transuraniens consiste à bombarder des cibles d'éléments lourds non pas avec des neutrons mais avec des particules chargées légères (telles que les noyaux d'hélium mentionnés ci-dessus en tant que particules alpha) à partir d'accélérateurs. Pour la synthèse d'éléments plus lourds que le mendélévium, des ions dits lourds (de numéro atomique supérieur à 2 et de masse supérieur à 5) ont été utilisés pour les noyaux des projectiles. Des cibles et des projectiles relativement riches en neutrons sont nécessaires pour que les noyaux résultants aient un nombre de neutrons suffisamment élevé; un nombre de neutrons trop faible rend le noyau extrêmement instable et inobservable en raison de sa demi-vie courte qui en résulte.

Les éléments du seaborgium au copernicium ont été synthétisés et identifiés (c.-à-d. Découverts) par l'utilisation de réactions de fusion «froides» ou «molles». Dans ce type de réaction, des projectiles de poids moyen sont fusionnés pour cibler des noyaux avec des protons numérotés près de 82 et des neutrons numérotés environ 126 - c'est-à-dire près du plomb doublement «magique» 208 - résultant en un système composé relativement «froid». Les éléments de 113 à 118 ont été fabriqués en utilisant des réactions de fusion "à chaud", similaires à celles décrites ci-dessus en utilisant des particules alpha, dans lesquelles un projectile relativement léger entre en collision avec un actinoïde plus lourd. Parce que les noyaux composés formés dans la fusion à froid ont des énergies d'excitation inférieures à celles produites dans la fusion à chaud, ils peuvent émettre seulement un ou deux neutrons et ont donc une probabilité beaucoup plus élevée de rester intacts au lieu de subir la réaction de fission rapide concurrente. (Les noyaux formés dans la fusion à chaud ont une énergie d'excitation plus élevée et émettent de trois à cinq neutrons.) Les réactions de fusion à froid ont d'abord été reconnues comme une méthode pour la synthèse d'éléments lourds par Yuri Oganessian du Joint Institute for Nuclear Research à Dubna en URSS (maintenant en Russie).