Une irradiation dans le réacteur à haut flux de l’ILL a produit de l’einsteinium-255, qui a servi de source d’approvisionnement en fermium-255, permettant la spectroscopie laser haute résolution à Mayence (Allemagne).
Où s’arrête le tableau périodique des éléments chimiques et quels processus conduisent à l’existence d’éléments lourds ?
Une collaboration internationale de chercheurs a mené des expériences au centre d’accélération GSI/FAIR et à l’université Johannes Gutenberg de Mayence afin d’approfondir notre compréhension de ces phénomènes. Leurs travaux, portant sur la structure des noyaux atomiques de fermium (élément 100) présentant différents nombres de neutrons, ont été publiés dans la revue scientifique Nature.
« À l’aide d’une méthode laser, nous avons étudié les noyaux atomiques de fermium, qui possèdent 100 protons et entre 145 et 157 neutrons. Plus précisément, nous avons étudié l’influence des effets de la mécanique quantique sur la taille de leurs noyaux atomiques », explique Sebastian Raeder, responsable de l’expérience au GSI/FAIR.
Pour ces mesures, une collaboration internationale comptant 27 instituts de 7 pays a examiné des isotopes de fermium ayant des durées de vie allant de quelques secondes à une centaine de jours. Pour ce faire, différentes méthodes de production d’isotopes de fermium ont été utilisées. Les isotopes à courte durée de vie ont été produits (par des réactions de fusion) à l’accélérateur GSI/FAIR. Les isotopes de fermium riches en neutrons et à longue durée de vie (255,257Fm) ont été produits en quantités de l’ordre du picogramme par irradiation dans des réacteurs de recherche à haut flux. Une première irradiation dans le HFIR (High Flux Isotope Reactor) d’Oak Ridge National Laboratory, TN, USA a produit des isotopes jusqu’à 257Fm. À partir de ce mélange d’éléments produits, des radiochimistes de l’université de Mayence ont extrait l’élément voisin, l’einsteinium (élément 99), qui a ensuite été irradié dans le réacteur à haut flux de l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, en France. Le 255Es ainsi produit, avec une demi-vie de 9 mois, continue à se désintégrer en 255Fm, avec une demi-vie de seulement 20 heures. Ce dernier a été extrait à plusieurs reprises par radiochimie à l’université de Mayence (et utilisé pour la spectroscopie laser). Les radiochimistes appellent ce processus « traire la vache à fermium ».
« Il est intéressant de noter que les noms de ces éléments sont des éponymes bien mérités du processus de production : la célèbre relation E=mc2 d’Albert Einstein est le fondement de la production d’énergie dans les réacteurs nucléaires, tandis qu’Enrico Fermi est le créateur du premier réacteur nucléaire construit par l’homme – or le fermium est l’élément le plus lourd directement accessible par l’irradiation des réacteurs », souligne Ulli Köster, scientifique de l’ILL et l’un des auteurs de la publication. « Cette étude démontre de manière impressionnante la synergie des différentes méthodes de production : les accélérateurs sont les mieux adaptés pour produire des isotopes déficients en neutrons (moins de neutrons que d’habitude), tandis que les réacteurs de recherche sont les mieux adaptés pour produire des isotopes riches en neutrons. L’extension de ces études aux éléments super-lourds nécessite souvent une combinaison des deux techniques, à savoir l’irradiation par accélérateur de cibles produites en réacteur », ajoute Köster.
Les techniques de pointe de spectroscopie laser permettent d’analyser les changements subtils de la structure atomique, ce qui fournit des informations sur les propriétés nucléaires telles que le rayon de charge nucléaire – c’est-à-dire la répartition des protons dans le noyau atomique. La lumière laser d’une longueur d’onde appropriée soulève un électron de l’atome de fermium vers une orbitale supérieure, puis l’enlève complètement de l’atome, formant un ion de fermium, qui peut être détecté efficacement. L’énergie exacte requise pour ce processus de formation progressive des ions varie en fonction du nombre de neutrons. Cette petite variation de l’énergie d’excitation a été mesurée pour obtenir des informations sur la variation du rayon de charge des noyaux atomiques.
Les recherches ont permis de comprendre les changements du rayon de charge nucléaire dans les isotopes du fermium à travers le nombre de neutrons 152 et ont montré une augmentation régulière et uniforme. La comparaison des données expérimentales avec divers calculs effectués par les partenaires de la collaboration internationale à l’aide de modèles théoriques modernes de physique nucléaire permet d’interpréter les effets physiques sous-jacents.
« Nos résultats expérimentaux et leur interprétation à l’aide de méthodes théoriques modernes montrent que dans les noyaux de fermium, les effets de coquille nucléaire ont une influence réduite sur les rayons de charge nucléaire, contrairement à la forte influence sur les énergies de liaison de ces noyaux », explique Jessica Warbinek, qui était doctorante au GSI et à la JGU au moment des expériences et qui est la premier auteure de la publication. « Les résultats confirment les prédictions théoriques selon lesquelles les effets de coquille locaux, qui sont dus à quelques neutrons et protons individuels, perdent de leur influence lorsque la masse nucléaire augmente ; au lieu de cela, les effets dominants doivent être attribués à l’ensemble complet de tous les nucléons, les noyaux étant plutôt considérés comme une goutte liquide chargée. »
Les améliorations expérimentales de la méthode ouvrent la voie à d’autres études spectroscopiques par laser des éléments lourds dans la région autour et au-delà du nombre de neutrons 152 et représentent une étape vers une meilleure compréhension des processus de stabilisation dans les éléments lourds et super-lourds.
Éléments de comprehension
- Les éléments au-delà de l’uranium (élément 92) n’existent pas à l’état naturel dans la croûte terrestre. Pour être étudiés, ils doivent donc être produits artificiellement.
- Des éléments comme le fermium (élément 100) constituent un pont entre les éléments naturels les plus lourds et les éléments dits superlourds.
- Les éléments superlourds, qui commencent à l’élément 104, doivent leur existence à des effets mécaniques quantiques stabilisants, qui ajoutent environ deux millièmes de l’énergie de liaison nucléaire totale ; même si cette contribution est faible, elle est décisive pour contrebalancer les forces perturbatrices qui agissent entre les nombreux protons chargés positivement, qui se repoussent tous les uns les autres.
- Les effets mécaniques quantiques induits par les éléments constitutifs des noyaux atomiques (protons et neutrons) sont expliqués par le modèle de l’enveloppe nucléaire. Comme pour les atomes, où ceux dont les enveloppes électroniques sont complètement remplies sont chimiquement stables et donc non réactifs, les noyaux dont les enveloppes nucléaires sont remplies (contenant des nombres dits « magiques » de nucléons) présentent une stabilité accrue. Par conséquent, leur énergie de liaison nucléaire et leur durée de vie augmentent.
- Dans les noyaux plus légers, on sait que les enveloppes nucléaires remplies influencent également les tendances des rayons nucléaires. En effet, l’étude de plusieurs noyaux atomiques d’un même élément, mais avec des nombres de neutrons différents, a révélé une augmentation régulière de ce rayon, à moins qu’un nombre magique ne soit franchi. On observe alors un coude, la pente de l’augmentation radiale changeant à la fermeture de la coquille. Cet effet a été constaté pour des noyaux atomiques plus légers et sphériques, jusqu’au plomb.