Quand atteindrons-nous la fin du tableau périodique?

Les professeurs de chimie ont récemment dû mettre à jour le décor de leur classe en annonçant que des scientifiques avaient confirmé la découverte de quatre nouveaux éléments dans le tableau périodique. Les éléments non encore nommés 113, 115, 117 et 118 ont comblé les lacunes qui subsistaient au bas du célèbre graphique: une feuille de route des éléments constitutifs de la matière qui guide les chimistes avec succès depuis près d'un siècle et demi.

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La confirmation officielle, accordée par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA), était en cours d'élaboration, car ces éléments extrêmement lourds sont extrêmement instables et difficiles à créer. Mais les scientifiques avaient de bonnes raisons de croire qu'ils existaient, en partie parce que le tableau périodique a été remarquablement cohérent jusqu'à présent. Les efforts visant à créer les éléments 119 et 120, qui créeraient une nouvelle ligne, sont déjà en cours.

Mais le nombre exact d’éléments encore disponibles reste l’un des mystères les plus persistants de la chimie, d’autant plus que notre compréhension moderne de la physique a révélé des anomalies, même chez les acteurs établis.

«Les fissures commencent à apparaître dans le tableau périodique», explique Walter Loveland, chimiste à l'Oregon State University.

L'incarnation moderne du tableau périodique organise les éléments par rangées en fonction du nombre atomique - le nombre de protons dans le noyau d'un atome - et par colonnes en fonction des orbites de leurs électrons ultrapériphériques, qui dicte généralement leur personnalité. Les métaux mous qui ont tendance à réagir fortement avec d'autres, tels que le lithium et le potassium, vivent dans une colonne. Les éléments réactifs non métalliques, comme le fluor et l'iode, en habitent un autre.

Le géologue français Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois a été le premier à reconnaître que des éléments pouvaient être regroupés en motifs récurrents. Il présenta les éléments connus en 1862, classés par poids, comme une spirale enroulée autour d'un cylindre ( voir l'illustration ci-dessous ). Les éléments alignés verticalement les uns sur les autres sur ce cylindre présentaient des caractéristiques similaires.

Mais c’est le schéma d’organisation créé par Dmitri Mendeleïev, un Russe au caractère colérique qui prétend avoir vu des groupements d’éléments dans un rêve, qui a résisté à l’épreuve du temps. Son tableau périodique de 1871 n'était pas parfait; il a prédit huit éléments qui n'existent pas, par exemple. Cependant, il prédisait correctement le gallium (maintenant utilisé dans les lasers), le germanium (maintenant utilisé dans les transistors) et d'autres éléments de plus en plus lourds.

Le tableau périodique de Mendeleïev acceptait facilement une nouvelle colonne pour les gaz rares, tels que l'hélium, qui avait échappé à la détection jusqu'à la fin du XIXe siècle en raison de leur volonté de ne pas réagir avec d'autres éléments.

Le tableau périodique moderne est plus ou moins conforme à la physique quantique, introduite au XXe siècle pour expliquer le comportement des particules subatomiques telles que les protons et les électrons. En outre, les groupements ont pour la plupart maintenu que des éléments plus lourds ont été confirmés. Bohrium, nom donné à l'élément 107 après sa découverte en 1981, s'accorde parfaitement avec les autres métaux dits de transition qui l'entourent, l'un des chercheurs qui l'ont découvert proclamant que «bohrium est ennuyeux».

Mais des temps intéressants peuvent être à venir.

Une question en suspens concerne le lanthane et l'actinium, qui ont moins de points communs avec les autres membres de leurs groupes respectifs que le lutétium et le lawrencium. L’UICPA a récemment chargé un groupe de travail d’examiner cette question. Même l'hélium, élément 2, n'est pas simple: il existe une version alternative du tableau périodique qui place l'hélium avec du béryllium et du magnésium à la place de ses voisins gaz nobles, en se basant sur les arrangements de tous ses électrons plutôt que sur les plus externes.

«Il y a des problèmes au début, au milieu et à la fin du tableau périodique», déclare Eric Scerri, historien au département de chimie de l'Université de Californie à Los Angeles.

La théorie de la relativité spéciale d'Einstein, publiée des décennies après le tableau de Mendeleïev, introduit également des failles dans le système. La relativité veut que la masse d’une particule augmente avec sa vitesse. Cela peut amener les électrons chargés négativement en orbite autour du noyau de l’atome chargé positivement à se comporter étrangement, ce qui affecte les propriétés d’un élément.

Pensez à l'or: le noyau contient 79 protons positifs. Par conséquent, pour éviter toute chute vers l'intérieur, les électrons d'or doivent siffler à plus de la moitié de la vitesse de la lumière. Cela les rend plus massifs et les entraîne dans une orbite plus étroite et moins énergique. Dans cette configuration, les électrons absorbent la lumière bleue au lieu de la réfléchir, ce qui donne aux alliances leur éclat distinctif.

Richard Feynman, physicien notoire jouant du bongo, aurait invoqué la relativité pour prédire la fin du tableau périodique à l'élément 137. Pour Feynman, 137 était un «nombre magique» - il était apparu sans raison évidente ailleurs dans la physique. Ses calculs ont montré que les électrons des éléments situés au-delà de 137 devaient se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière et violer les règles de la relativité pour éviter tout écrasement dans le noyau.

Des calculs plus récents ont depuis lors renversé cette limite. Feynman a traité le noyau comme un seul point. Permettez que ce soit une boule de particules, et les éléments peuvent continuer jusqu’à environ 173. Puis tout l’enfer se déchaîne. Les atomes situés au-delà de cette limite peuvent exister, mais uniquement en tant qu'étranges créatures capables d'appeler des électrons depuis un espace vide.

La relativité n'est pas le seul problème. Les protons chargés positivement se repoussent les uns les autres, de sorte que plus vous compressez dans un noyau, moins il a tendance à être stable. L'uranium, avec un numéro atomique de 92, est le dernier élément suffisamment stable pour se produire naturellement sur Terre. Chaque élément situé au-delà de celui-ci a un noyau qui se décompose rapidement et sa demi-vie (le temps qu'il faut pour que la moitié du matériau se décompose) peut être de quelques minutes, secondes ou même de plusieurs secondes.

Des éléments plus lourds et instables peuvent exister ailleurs dans l'univers, comme dans les étoiles à neutrons denses, mais les scientifiques ne peuvent les étudier ici qu'en regroupant des atomes plus légers pour en faire des plus lourds, puis en passant au crible la chaîne de désintégration.

«Nous ne savons vraiment pas quel est l'élément le plus lourd qui puisse exister», déclare le physicien nucléaire Witold Nazarewicz de la Michigan State University.

La théorie prédit qu'il y aura un moment où nos noyaux fabriqués en laboratoire ne vivront pas assez longtemps pour former un atome approprié. Un noyau radioactif qui se désagrège en moins de dix trillions de secondes n'aurait pas le temps de rassembler des électrons autour de lui et de créer un nouvel élément.

Néanmoins, de nombreux scientifiques s’attendent à ce que des îlots de stabilité existent plus tard, où les éléments très lourds ont un noyau relativement long. Le chargement de certains atomes super lourdes avec beaucoup de neutrons supplémentaires pourrait conférer une stabilité en empêchant les noyaux riches en protons de se déformer. L'élément 114, par exemple, devrait avoir un nombre magiquement stable de neutrons à 184. On prévoit également que les éléments 120 et 126 pourraient être plus durables.

Mais certaines revendications de stabilité super lourde se sont déjà effondrées. À la fin des années 1960, le chimiste Edward Anders proposa que le xénon contenu dans une météorite tombée sur le sol mexicain soit le résultat de la décomposition d’un élément mystérieux entre 112 et 119 suffisamment stable pour se retrouver dans la nature. Après avoir passé des années à restreindre ses recherches, il a finalement rétracté son hypothèse dans les années 1980.

Prédire la stabilité potentielle d'éléments lourds n'est pas chose facile. Les calculs, qui nécessitent une énorme puissance de calcul, n'ont pas été effectués pour de nombreux acteurs connus. Et même quand ils l’ont fait, il s’agit d’un tout nouveau territoire pour la physique nucléaire, où même de petits changements dans les entrées peuvent avoir de profondes répercussions sur les résultats attendus.

Une chose est sûre: rendre chaque nouvel élément de plus en plus difficile, non seulement parce que les atomes à durée de vie plus courte sont plus difficiles à détecter, mais aussi parce que créer des super-lourds peut nécessiter des faisceaux d'atomes eux-mêmes radioactifs. Qu'il y ait ou non une fin au tableau périodique, notre capacité à en créer de nouveaux peut également l'être.

«Je pense que nous sommes loin de la fin du tableau périodique», déclare Scerri. "Le facteur limitant semble être l'ingéniosité humaine."

Note de l'éditeur: l'affiliation de Witold Nazarewicz a été corrigée.

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