Le 30 décembre 2015, la science de la chimie a officiellement obtenu quatre nouveaux sujets. L’Union Internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) a confirmé la découverte de quatre nouveaux éléments chimiques, tous créés en laboratoire.

certains rapports ont suggéré que ces éléments « complètent » le tableau périodique des éléments. Ce qui est faux. Vous pouvez vous attendre en toute confiance à de nouveaux éléments après le dernier lot., Mais cela pourrait prendre un certain temps, car ils deviennent plus difficiles à faire.

Les nouveaux éléments complètent la septième ligne du tableau périodique. Si et quand les éléments 119 ou 120 sont créés, ils commenceront une toute nouvelle ligne.

personne Ne sait combien de temps la table peut être prolongée par la création de nouveaux éléments. Certains soupçonnent qu’il n’y a pas de limite. D’autres disent qu’il peut y avoir un point au-delà duquel les atomes ne peuvent pas devenir plus lourds: de tels atomes énormes seraient complètement instables, se désintégrant instantanément dans une vague de radioactivité.

Mais une chose est claire., Si nous parvenons à construire des éléments toujours plus lourds, nous constaterons qu’ils se comportent de manière vraiment particulière.

Les éléments sont les éléments fondamentaux de la chimie. Un élément est essentiellement une substance qui ne contient qu’un seul type d’atome. Donc, faire un nouvel élément signifie faire un nouveau type d’atome.

chaque élément se voit attribuer un numéro: par exemple, le carbone est le numéro 6. Ces nombres ne sont pas des étiquettes arbitraires, mais ont une signification fondamentale. Ils précisent combien de protons, une sorte de particule élémentaire, l’atome contient.,

cela semble bizarre mais se produit tout le temps, même dans certains atomes de votre corps

les Protons ont une charge électrique positive, et ils sont agglutinés dans un blob au centre de l’atome. Les électrons beaucoup plus légers, avec des charges négatives qui équilibrent les protons, « orbitent » le noyau dans un nuage diffus.

à l’exception des atomes d’hydrogène, les noyaux atomiques contiennent également un deuxième type de particule: le neutron, avec une masse presque exactement la même que celle d’un proton mais sans charge électrique., Les atomes d’un élément peuvent avoir différents nombres de neutrons, et ces variantes sont appelées « isotopes ».

les Neutrons servent de colle qui aide à lier les protons ensemble. Sans eux, les charges électriques positives des protons les sépareraient.

tout de même, les noyaux d’atomes très lourds comme l’uranium sont tellement remplis de protons qui se repoussent mutuellement que même une prépondérance de neutrons ne peut les maintenir ensemble. Ces atomes subissent une « désintégration radioactive »: ils perdent des particules et de l’énergie.,

Les étoiles plus grandes peuvent générer des éléments plus lourds comme le mercure

Lorsqu’un atome se désintègre, le nombre total de protons dans le noyau change, et ainsi le processus de désintégration radioactive transforme un élément en un autre. Cela semble bizarre, mais se produit en fait tout le temps, même dans certains atomes de votre corps.

chaque type de noyau a un rapport optimal entre protons et neutrons. Ainsi, les atomes se désintégreront s’ils ont trop ou trop peu de neutrons, même s’ils ont de petits noyaux.,

pour les éléments légers comme le carbone et l’oxygène, le rapport stable est à peu près de 1:1. Les éléments plus lourds ont besoin d’un léger excès de neutrons.

les processus naturels de l’univers ne peuvent produire que des éléments jusqu’à un certain poids.

Les cinq éléments les plus légers, de l’hydrogène au bore, ont été principalement créés lors du Big Bang qui a déclenché l’univers.

Tout ce qui était plus lourd devait être fabriqué à l’intérieur des étoiles. Là, les températures et les pressions intenses forcent les noyaux des éléments légers à fusionner. C’est ce qu’on appelle la fusion nucléaire., Les étoiles plus grosses peuvent générer des éléments plus lourds comme mercure, qui a 80 protons dans son noyau.

la découverte du plutonium est restée un secret militaire jusqu’après la Seconde Guerre mondiale

Mais de nombreux éléments du tableau périodique sont plutôt fabriqués dans l’environnement intense d’une étoile qui explose ou d’une « supernova ». Les énormes énergies libérées peuvent produire de nouveaux types de fusion lorsque les atomes s’écrasent les uns sur les autres, produisant des éléments aussi lourds que l’uranium, avec ses 92 protons.,

beaucoup d’énergie est nécessaire pour que ces réactions de fusion nucléaire se produisent, car les noyaux atomiques chargés positivement se repoussent les uns les autres. Un noyau doit se déplacer très vite pour percer cette barrière et fusionner avec un autre.

en conséquence, l’uranium est l’élément le plus lourd trouvé en quantités significatives dans la nature. Aucun processus naturel n’a été trouvé qui rend beaucoup de quoi que ce soit plus lourd.

ainsi, lorsque les scientifiques veulent créer de nouveaux éléments, ils doivent utiliser des accélérateurs de particules pour augmenter les atomes en collision à des vitesses énormes, peut-être un dixième de la vitesse de la lumière.,

cela a été fait pour la première fois en 1939. Des scientifiques travaillant à L’Université de Californie à Berkeley ont créé element 93, qui s’appelle maintenant neptunium.

Une fois la guerre terminée, les physiciens se mettent sérieusement à la recherche de nouveaux éléments

deux ans plus tard, l’équipe bombarde l’uranium avec des noyaux « d’hydrogène lourd », chacun contenant un proton et un neutron. Le résultat a été l’élément 94: le plutonium.

ils ont vite compris que le plutonium, comme l’uranium, se désintégrerait spontanément dans un processus dramatique appelé fission nucléaire., Son noyau massif s’est divisé presque en deux, libérant une énorme quantité d’énergie.

cette découverte a été rapidement mise à profit: le plutonium fabriqué dans des accélérateurs de particules a été utilisé dans la bombe atomique Fat Man larguée sur Nagasaki en août 1945. La découverte du plutonium est restée un secret militaire jusqu’après la Seconde Guerre mondiale.

Une fois la guerre terminée, les physiciens se mettent sérieusement à trouver de nouveaux éléments.

pendant des décennies, le centre américain clé pour cette recherche était à Berkeley, mais de nos jours, une grande partie de l’activité a été transférée au laboratoire national Lawrence Livermore à environ 40 km., Le travail russe est basé à L’Institut commun de recherche nucléaire (JINR) à Doubna, Moscou, fondé en 1956.

La rivalité américano-soviétique a donné lieu à d’âpres disputes au sujet de la priorité

initialement, les Américains étaient en avance sur le jeu. En conséquence, les éléments 95, 97 et 98 sont appelés américium, berkélium et californium.

mais d’autres éléments nouveaux ont été trouvés d’une manière complètement différente. Ils ont été identifiés dans les débris des essais américains de bombes à hydrogène des années 1950., Les éléments avaient été créés à partir d’uranium dans les « fusibles » des bombes lors des explosions intenses.

en conséquence, plutôt que de chanter sur leur lieu d’origine, les éléments 99 et 100 sont nommés d’après deux pionniers de la science nucléaire: einsteinium pour Albert Einstein et fermium pour Enrico Fermi.

à mesure que la guerre froide s’approfondissait, la rivalité américano-soviétique produisit d’âpres disputes sur la priorité.

entre la fin des années 1950 et le début des années 1970, les équipes de Berkeley et JINR se disputèrent pour savoir qui fabriquait les premiers éléments 102, 104, 105 et 106., L’UICPA juge de tels arguments, mais il a fallu attendre 1997 pour attribuer 104 (rutherfordium) à Berkeley et 105 (dubnium) à JINR.

Les Russes sont mécontents que l’élément 113 ait été attribué à un groupe japonais

pendant ce temps, L’élément 107 a été contesté entre JINR et un petit nouveau sur le bloc: le laboratoire allemand de recherche sur les ions lourds, connu sous l’abréviation allemande GSI, à Darmstadt. Le crédit pour la découverte a finalement été partagé entre les deux groupes.,

alors que les éléments artificiels antérieurs étaient fabriqués en bombardant des atomes lourds avec des atomes beaucoup plus légers, les chercheurs du GSI ont trouvé des moyens de fusionner deux noyaux de taille moyenne: par exemple, en tirant des ions zinc, nickel et Chrome sur des cibles de plomb et de bismuth. Par de tels moyens, l’élément 108 a été fabriqué pour la première fois chez GSI et nommé hassium.

de nos jours, la création d’éléments est un peu plus collaborative. Quand il s’est agi de fabriquer les quatre nouveaux éléments, les Américains, les Russes et les Allemands ont mis en commun leurs ressources.,

l’IUPAC affirme que les premières synthèses convaincantes de 117 et 115 ont été dues à un effort conjoint entre JINR, Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee et Livermore dans des expériences menées entre 2010 et 2012. Une collaboration distincte JINR-Livermore à partir de 2006 a reçu l’élément 118.

tout n’est pas encore tout à fait rose, cependant. Les Russes sont mécontents que l’élément 113 ait été attribué à un groupe japonais au RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science à Saitama, et pourrait maintenant être nommé « japonicium ».,

Il peut sembler que nous avons atteint la limite supérieure pour la taille atomique

ils disent qu’Ils ont fait la première fois en 2003 à des SPÉCIALISTES en brisant le calcium dans l’américium. L’expérience japonaise a été faite un an plus tard en tirant des ions de zinc dans le bismuth.

La question dans tous ces conflits est ce qui compte comme un résultat convaincant. Les experts de L’IUPAC décident cela, mais c’est encore assez subjectif.

Les nouveaux éléments sont détectés, généralement un atome à la fois, par la manière caractéristique dont ils subissent une désintégration radioactive., Chaque isotope a un processus de désintégration différent. Chacun se désintègre également à son propre rythme, mesuré comme la demi-vie: le temps nécessaire pour que la moitié d’un échantillon se désintègre.

ces signaux subtils doivent être repérés au milieu d’une foule d’autres processus nucléaires, il n’est donc pas facile de décider si une revendication est convaincante ou non.

compte tenu de ces difficultés, il pourrait sembler que nous atteignons la limite supérieure de la taille atomique. Mais il y a de bonnes raisons d’appuyer sur la huitième rangée du tableau périodique.,

la perspective de commencer une nouvelle ligne de la table est alléchante, car cela signifiera la création d’atomes contrairement à tout ce que nous avons jamais vu auparavant.

Les électrons dans les atomes sont organisés en groupes appelés coquilles. Chaque coquille a une capacité particulière, et ce sont ces coquilles qui déterminent à la fois le comportement des atomes et la forme du tableau périodique.

le problème dans tous ces Litiges est ce qui compte comme résultat convaincant

La première coque ne peut accueillir que deux électrons: les atomes d’hydrogène en ont un, l’hélium en a deux., La deuxième coquille peut abriter jusqu’à huit électrons: c’est pourquoi la deuxième rangée du tableau périodique a huit membres. Des coquilles plus élevées peuvent prendre encore plus d’électrons.

Les quatre nouveaux éléments sont les derniers membres de la septième rangée. Si nous pouvions faire l’élément 119 il serait le premier membre de la huitième rangée et donc le premier élément connu avec un électron dans la huitième shell.

de tels éléments extrêmes peuvent enfreindre les règles qui régissent le tableau périodique.

les Éléments de la même colonne de la table ont des propriétés similaires., En effet, leurs coquilles les plus extérieures sont disposées de la même manière.

Les effets « relativistes » peuvent signifier qu’un élément super-lourd ne se comporte pas comme on s’y attend

Par exemple, les éléments de la colonne d’extrême gauche sont tous des métaux réactifs. Ils ont tous un seul électron dans leur enveloppe extérieure, ce qui est une configuration instable: les atomes sont enclins à perdre cet électron Solitaire.,

en revanche, les éléments de la colonne d’extrême droite ont tous des ensembles complets d’électrons, ce qui signifie qu’ils sont extrêmement peu réactifs: d’où leur nom, les « gaz inertes ».

Mais ces règles peuvent ne pas tenir pour tous les éléments super-lourds.

dans leurs atomes, les électrons près du noyau sont si étroitement liés par le noyau chargé positivement qu’ils voyagent à des vitesses immenses. Ils sont si rapides qu’ils ressentent les effets de la théorie de la relativité restreinte D’Einstein, qui stipule que les objets se déplaçant près de la vitesse de la lumière gagnent en masse.,

en conséquence, les électrons internes deviennent plus lourds. Cela a un effet d’entraînement sur les électrons externes qui déterminent le comportement chimique d’un élément, car les électrons « ressentent » les mouvements de l’autre grâce à leurs charges électriques.

Il peut y avoir des éléments super-lourds dont les noyaux ont une durée de vie relativement longue

le résultat est que des effets « relativistes » peuvent signifier qu’un élément super-lourd ne se comporte pas comme on s’y attend., Cela semble être le cas pour rutherfordium (élément 104) et dubnium (105), mais pas pour seaborgium (106) ou hassium (108).

même examiner de tels effets est une prouesse technique stupéfiante. Il faut étudier le comportement chimique d’une poignée d’atomes qui n’existent que pour quelques secondes.

de plus, les éléments super-lourds ont tendance à se désintégrer de plus en plus vite plus ils deviennent lourds. Cela signifie qu’il sera de plus en plus difficile non seulement d’étudier leur chimie, mais même de les fabriquer – ou du moins, de les détecter une fois que nous l’aurons fait.,

tout de même, il est possible d’estimer à quel point ces noyaux plus gros seront stables, et il semble qu’ils dureront assez longtemps pour être étudiés si nous les fabriquons. Il ne semble donc pas y avoir de raison en principe de ne pas entrer dans la huitième rangée du tableau périodique.

en fait, les éléments super-lourds ne deviennent pas toujours moins stables plus ils sont lourds. Il peut y en avoir dont les noyaux ont une durée de vie relativement longue, existant dans des « îlots de stabilité ». Cela dépendra du nombre de neutrons ainsi que le nombre de protons.,

Il semble maintenant que cet îlot de stabilité particulier ne se matérialiserait pas avant l’élément 122

les physiciens nucléaires ont découvert que les protons et les neutrons dans les noyaux sont, comme les électrons en orbite, organisés en coquilles. Les coquilles remplies correspondent à des « nombres magiques » et conduisent à des noyaux particulièrement stables.

Les noyaux d’hélium, d’oxygène, de calcium, d’étain et de plomb ont tous une coquille remplie de protons, ce qui les rend particulièrement stables. Les coquilles de neutrons remplies peuvent également conférer de la stabilité., L’isotope lead-208 est « doublement magique », avec des coquilles remplies de protons et de neutrons.

pour les noyaux super-lourds, les calculs qui révèlent les nombres magiques sont plus difficiles à faire, il est donc moins clair ce que sont ces nombres.

on pensait autrefois que deux isotopes de l’élément 114, nommés flerovium d’après le scientifique nucléaire russe Georgy Flerov, seraient doublement magiques et donc relativement stables. Ces isotopes avaient 184 et 196 neutrons, et sont surnommés flerovium-298 et flerovium-310.,

le mieux que nous puissions espérer de manière réaliste est que quelques atomes resteront pendant quelques jours

cependant, il semble maintenant que cet îlot de stabilité ne se matérialisera peut-être pas avant l’élément 122.

encore, flerovium pourrait gagner une certaine stabilité des effets de la coquille nucléaire. Flerovium – 298 devrait avoir une demi-vie d’environ 17 jours, ce qui est immense selon les normes des éléments super lourds. L’isotope ayant vécu le plus longtemps jusqu’à présent, le flerovium-289, a une demi-vie de seulement 2,6 secondes.,

Il n’est pas clair si les éléments super-lourds dureront assez longtemps pour être accumulés en grumeaux appréciables, atome par atome. Mais il semble peu probable. Le mieux que nous puissions espérer de manière réaliste est que quelques atomes resteront pendant quelques jours.

Au-delà de cela, arrive-t-il un moment où les atomes sont si lourds qu’ils ne peuvent tout simplement pas exister?

Le physicien américain Richard Feynman le pensait. Il a effectué un calcul à l’arrière de l’enveloppe qui a suggéré qu’il était impossible de faire un atome avec 137 protons dans le noyau.,

des paires de particules peuvent parfois surgir du néant

la raison en était que les électrons les plus intérieurs, ceux de la première coquille, n’avaient pas d’orbite stable. En d’autres termes, le noyau de l’élément 137 ne pouvait plus les retenir.

cependant, le calcul de Feynman a fait l’approximation que le noyau a une taille nulle, ce qui n’est bien sûr pas le cas. lorsque les calculs sont effectués avec plus de précision, il semble que rien de fâcheux n’arrive aux énergies des électrons les plus internes jusqu’au numéro atomique 173.,

même alors, les atomes peuvent rester stables, mais tout de même quelque chose de bizarre se produit.

comme tout le reste à ces échelles minuscules, tout se résume à la mécanique quantique.

même s’il n’y a pas de fin au tableau périodique, il peut y avoir des choses étranges qui nous attendent dans ses confins les plus lointains

cela nous dit, entre autres choses étranges, que des paires de particules peuvent parfois, L’une des particules sera faite de matière et l’autre d’antimatière: par exemple, l’une pourrait être un électron et l’autre son homologue d’antimatière, un positron. Normalement, les deux entrent immédiatement en collision et s’annihilent.

Il s’avère que les électrons les plus internes de l’élément 173 pourraient être dans un état inhabituel et instable pouvant évoquer ces particules « virtuelles ».

Si l’un de ces électrons est expulsé de sa coquille, par exemple en le zappant avec une radiographie, il laissera un trou derrière lui. Ce trou sera rempli par un électron qui apparaît à partir de rien., Mais pour que cet électron se forme, un positron doit également se former, et cela sera émis par l’atome.

en d’autres termes, les nuages d’électrons de ces éléments vraiment énormes pourraient parfois roter des particules d’antimatière.

donc, même s’il n’y a pas de fin au tableau périodique, il peut y avoir des choses étranges qui nous attendent dans ses confins. Que nous explorions jamais ces éléments extrêmes est une autre affaire entièrement.