L’année du tableau périodique

C’est, semble-t-il, le 17 février 1869 (le 1^er mars dans notre calendrier), en une seule journée, que le chimiste russe Dimitri Mendeleïev aurait imaginé cette manière de classer les éléments chimiques. Professeur à l’université de Saint-Pétersbourg, il cherchait une façon originale et simple de les enseigner à ses étudiants. Après avoir songé à un classement alphabétique (mais selon quelle langue ?) puis chronologique de leur découverte (mais quel intérêt ?), il s’est dit qu’il devait exister une organisation naturelle. D’après les archives qui ont été retrouvées, Mendeleïev fait plusieurs tentatives ce jour-là, notant sur des fiches la masse atomique de tous les éléments connus à cette époque (63 !) en regard de leurs propriétés chimiques. Puis l’ordre s’impose et il écrit d’une traite la classification telle qu’elle apparaît dans sa première publication. Pour célébrer le 150^e anniversaire de ce qui est sans aucun doute une des plus belles classifications de l’histoire des sciences, l’UNESCO a donc décidé de lui consacrer une année entière.

Mendeleïev a classé tous les éléments connus à son époque selon leur nombre de protons (numéro atomique) mais surtout de manière périodique (qui revient régulièrement) selon leurs propriétés. Autrement dit, les éléments avec une même propriété reviennent à des intervalles réguliers (les colonnes du tableau). Cette manière de faire a un avantage immense: s’il y a un trou dans le tableau (et il y en avait !), on voit de suite combien de protons doit avoir l’élément manquant et quelles doivent être ses propriétés. Ce qui facilite évidemment grandement les recherches. C’est effectivement ce qui s’est produit: 3 éléments (gallium, scandium et germanium) dont il avait prédit l’existence sont découverts de son vivant. Bien d’autres le seront dans la suite… ce qui a rendu le tableau sans doute moins lisible pour les étudiants d’aujourd’hui que pour ceux du professeur Mendeleïev ! 

Le classement par nombre de protons verrouille en effet le tableau du côté de l’élément le plus léger, l’hydrogène, avec son seul proton (difficile d’imaginer un élément avec 0 proton ou un nombre négatif d’entre eux !). Par contre, où le tableau est-il censé se terminer du côté des éléments lourds ? Une question qui reste sans réponse pour l’instant… même si les physiciens nucléaires tentent d’y répondre. Pour la plupart d’entre nous, le tableau se termine en effet au numéro 103, le lawrencium, le dernier de la ligne des actinides. Et encore, comme il est radioactif donc instable, ainsi que tous ses prédécesseurs depuis l’uranium (92), ce sont des éléments dont on entend peu parler, à l’exception sans doute du plutonium (94), industrie et armement nucléaires obligent. Pourtant, le tableau se poursuit jusqu’au numéro 118 (l’oganesson), les derniers éléments de la dernière ligne ayant été reconnus officiellement fin de l’année 2015. Mais si, à ce moment, nous avons écrit que le tableau était complet (lire Athéna 317, février 2016), c’était un peu restreint. Complet en effet dans le sens où l’oganesson venait clore la 7^e ligne du tableau; mais incomplet sans doute parce que rien n’interdit l’existence d’autres éléments, plus lourds encore.

À partir du numéro 104 en effet (le rutherfordium), les éléments sont dits superlourds, tellement d’ailleurs qu’ils sont instables au point de ne pas exister à l’état «naturel» mais qu’ils ont dû être créés en laboratoire… et qu’ils ont disparu aussi vite qu’apparus, en général après quelques millisecondes. Les protons ont en effet tendance à ne pas s’aimer, à se repousser. Et plus nombreux ils sont au sein d’un noyau, plus les tensions internes sont grandes et plus les noyaux ont tendance à se déchirer. Une quête un peu vaine, alors, que cette recherche de nouveaux éléments toujours plus lourds ? D’autant que pour les fabriquer, il faut avoir recours à des accélérateurs de particules qui permettent de propulser des projectiles (d’autres noyaux) à une vitesse d’environ 1/10^e de celle de la lumière pour qu’ils fusionnent avec des noyaux-cibles. Des expériences qui coûtent cher, prennent beaucoup de temps, souvent plusieurs années car il est très difficile de repérer des atomes aussi fugaces. Et que faire d’éléments tellement insaisissables qu’ils ne servent à rien ? Sauf que… rien ne dit qu’il n’est pas possible de rencontrer des éléments superlourds bien plus stables.

La stabilité d’un noyau ne se résume en effet pas seulement à une affaire de protons. Le noyau contient aussi des neutrons dont le nombre peut varier pour un même élément (on parle alors d’isotopes). C’est le nombre de neutrons et l’organisation – en couches successives – des protons et neutrons qui affectent la stabilité du noyau: plus les couches sont remplies, plus le noyau va être stable. Les physiciens ont observé que les noyaux sont plus stables lorsqu’il y a un certain nombre de protons ou de neutrons (2, 8, 20, etc.), nombres qu’ils ont qualifié de «magiques». Mieux: un «noyau doublement magique», qui comporte donc à la fois un nombre magique de protons et un nombre magique de neutrons (cela correspond à des couches pleines pour les uns et pour les autres), offre le plus de garanties de stabilité. 

Les chercheurs ont donc bon espoir de découvrir ce qu’ils appellent un «îlot de stabilité» c’est-à-dire un endroit qui regrouperait des éléments superlourds plus stables que ceux connus aujourd’hui. Cela étant, il ne s’agirait pas de la découverte de nouveaux éléments (au-delà du 118), mais bien d’isotopes plus stables d’éléments instables déjà découverts. Un exemple: selon la théorie, un noyau composé de 114 protons et 184 neutrons serait doublement magique. L’élément 114 a déjà été découvert (il s’agit du flérovium) mais pas son isotope avec 184 neutrons. Une chose est sûre: pour les éléments superlourds déjà découverts, l’accroissement du nombre de neutrons implique un accroissement de la durée de vie de ces noyaux. De tels isotopes pourraient «survivre» au moins quelques minutes voire quelques années. De quoi les étudier plus en profondeur, en percevoir des applications et exploiter des propriétés qui seront sans doute inédites.

Mais une question demeure: va-t-on pouvoir aller plus loin dans le tableau périodique que l’élément 118 ? À quand le 119 et le 120 ? Ici, les réponses se font évasives. Car, comme on l’a vu, produire des éléments de plus en plus lourds nécessite le recours à des accélérateurs de particules, des projectiles (souvent un ion de calcium) et des cibles. Pour les 2 premiers, pas de problèmes; pour les cibles, en revanche, un obstacle surgit. Car il faut que ces cibles soient composées d’éléments possédant déjà beaucoup de protons… mais qui doivent être suffisamment stables. La combinaison de ces 2 exigences est atteinte avec le berkélium (97 protons). Une cible qui semble avoir atteint son rendement maximal avec la découverte des derniers éléments. Au-delà…