La découverte de l’élément 117, un élément synthétique qui n’existe pas dans la nature, a nécessité de nombreuses années de recherche collaborative par des dizaines de scientifiques de plusieurs institutions internationales.
L’expérience qui a produit la première preuve de l’existence de l’élément 117 n’aurait pas pu avoir lieu sans de multiples installations scientifiques de classe mondiale, notamment un complexe d’accélérateurs unique en Russie et le réacteur de recherche nucléaire et les installations de traitement du Laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie.
L’ORNL est le seul endroit au monde qui peut produire des quantités suffisantes de l’élément radioactif berkelium, un élément synthétique essentiel à la création de l’élément 117. Le berkélium est un sous-produit de la production de californium au réacteur d’isotopes à haut flux (HFIR) de l’ORNL.
Le professeur Joe Hamilton, de l’université de Vanderbilt, a noté la reprise de la production de californium à l’ORNL en 2008 et a présenté Jim Roberto, de l’ORNL, à Yuri Oganessian, qui a été le pionnier de l’approche de la « fusion chaude » pour synthétiser les éléments superlourds en bombardant des cibles d’actinides avec des ions lourds accélérés dans un cyclotron à l’Institut commun de recherche nucléaire de Dubna, en Russie. Cette rencontre a constitué la base de la collaboration actuelle entre les trois institutions. Les travaux antérieurs d’Oganessian ont conduit à la découverte des éléments 114, 116 et 118 en 2000-2004 en collaboration avec le Lawrence Livermore National Laboratory. Les matériaux cibles des actinides pour toutes ces découvertes provenaient de l’ORNL et de Dimitrovgrad en Russie. Mais l’identification de l’élément 117 n’a pas été possible sans berkélium.
L’ORNL et le JINR ont officiellement convenu de collaborer à la recherche sur les éléments superlourds en décembre 2008, y compris la production de matériaux cibles en berkélium à l’ORNL et la participation aux expériences sur les accélérateurs au JINR. Le Lawrence Livermore National Laboratory, qui avait collaboré avec le JINR sur des recherches antérieures sur les éléments super lourds, a également rejoint l’équipe fin 2008, ajoutant des capacités d’analyse de données nucléaires.
Le berkélium a été produit par 250 jours d’irradiation au HFIR de l’ORNL et 90 jours de traitement au Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) adjacent pour séparer et purifier le matériau de berkélium.
Le 15 juin 2009, l’ORNL a envoyé au JINR 22 milligrammes de berkélium-249, avec le tic-tac de sa demi-vie de 327 jours. Ce matériau a été transmis à l’Institut russe de recherche sur les réacteurs atomiques de Dimitrovgrad, qui a fabriqué une cible en appliquant le radio-isotope du berkélium sur un mince film de titane.
La cible a été envoyée du RIAR au JINR à Dubna, où l’expérience a commencé le 28 juillet 2009.
La cible 249Bk a été bombardée pendant 150 jours avec un faisceau intense de 7 trillions d’ions calcium-48 par seconde dans l’un des accélérateurs d’ions lourds les plus puissants du monde. Dans des conditions très rares, les noyaux de calcium (contenant 20 protons) ont interagi avec les noyaux de berkélium (contenant 97 protons) pour créer quelques noyaux composés de numéro atomique 117. Ces noyaux composés ont été séparés du faisceau de calcium par un ensemble d’aimants puissants dans le séparateur à bobines rempli de gaz de Dubna. Les noyaux de l’élément 117 ont été implantés dans des détecteurs en silicium, où des désintégrations radioactives distinctives ont été mesurées.
En fin de compte, les détecteurs ont révélé six atomes de l’élément 117 à courte durée de vie mais qui ont marqué l’histoire, qui se sont ensuite désintégrés en éléments 115, 113, 111, 109, 107 et 105.
L’équipe de recherche internationale a annoncé sa découverte de l’élément 117 en avril 2010 dans une publication de Physical Review Letters. L’article de découverte comprenait 33 auteurs de six institutions : JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) et Université du Nevada Las Vegas (2).
Un groupe de 72 scientifiques de 16 institutions d’Australie, de Finlande, d’Allemagne, d’Inde, du Japon, de Norvège, de Pologne, de Suède, de Suisse et du Royaume-Uni a mené des expériences de confirmation pour vérifier indépendamment la découverte de l’élément 117. Ces recherches ont impliqué la production de berkélium à l’ORNL et le bombardement par des faisceaux d’ions calcium de haute puissance dans un accélérateur du GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research à Darmstadt, en Allemagne. Cette observation indépendante de l’élément 117 a été présentée dans une étude de Physical Review Letters publiée en mai 2014.
Des études de confirmation supplémentaires ont été menées par le JINR, l’ORNL, le LLNL, Vanderbilt et l’Université du Tennessee, Knoxville (UTK) au JINR en 2012 en utilisant du berkélium provenant de l’ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski de l’ORNL et Robert Grzywacz de l’UTK ont dirigé le développement d’un nouveau détecteur et d’un système d’acquisition de données numériques qui a été utilisé dans les expériences de suivi sur les noyaux super lourds au JINR.
Un comité conjoint de l’Union internationale de physique pure et appliquée et de l’Union internationale de chimie pure et appliquée a évalué les preuves et a annoncé le 30 décembre 2015 que les critères de découverte de l’élément 117 étaient remplis. L’UICPA a également confirmé la découverte de l’élément 115, un produit de désintégration de l’élément 117, dans cette annonce. Le comité a ensuite invité l’équipe de découverte du JINR, du LLNL, de l’ORNL et de Vanderbilt à proposer des noms et des symboles permanents pour les éléments 117 et 115.
Le 8 juin 2015, la division de la chimie inorganique de l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a publié une recommandation provisoire pour le nom tennessine et le symbole Ts pour l’élément 117, en reconnaissance des contributions du Oak Ridge National Laboratory, de l’Université Vanderbilt et de l’Université du Tennessee à Knoxville à la recherche sur les éléments super lourds, notamment la production et la séparation chimique de matériaux cibles actinides uniques pour la synthèse des éléments super lourds dans les installations HFIR-REDC de l’ORNL. La reconnaissance du Tennessee dans le nom de l’élément 117 était un sujet de discussion depuis la suggestion initiale de Hamilton. Le nom tennessine a été officiellement proposé par l’équipe de découverte lors d’une vidéoconférence le 23 mars 2016, avec la terminaison « ine » choisie pour être conforme à la convention requise pour les éléments du groupe 17 du tableau périodique. Le nom provisoire moscovium a été proposé pour l’élément 115, en hommage à la région russe qui abrite le JINR.
Signification de l’élément 117
Dans le tableau périodique actuel, les éléments au-delà de l’uranium (numéro atomique de 92) sont de plus en plus instables et se désintègrent rapidement en d’autres éléments.
Les physiciens nucléaires théorisent qu’une « île de stabilité » existe au-delà du tableau périodique actuel où de nouveaux éléments superlourds présenteraient des durées de vie plus longues. Une telle île étendrait le tableau périodique à des éléments encore plus lourds, et les durées de vie accrues permettraient des expériences de chimie et des applications potentielles pour ces éléments.
L’élément 117 était le seul élément manquant dans la rangée sept du tableau périodique. En route vers l’île de stabilité, les chercheurs ont d’abord sauté l’élément 117 en raison de la difficulté d’obtenir le matériau cible de berkélium. L’élément 117 et les nouveaux isotopes résultant de la désintégration radioactive de l’élément 117 rapprochent les scientifiques de l’île de stabilité et confirment la tendance générale à l’augmentation de la stabilité des éléments superlourds avec l’augmentation du nombre de neutrons dans le noyau. La découverte de deux isotopes de l’élément 117 et de leurs 11 produits de désintégration constitue une preuve solide de l’existence de l’île de stabilité.
Documentation justificative
- Le 9 avril 2010 – Découverte de l’élément 117 annoncée dans Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- Le 19 octobre 2012 – 2e expérience au JINR confirme l’élément 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Le 1er mai, 2014 – Une expérience au GSI confirme indépendamment l’élément 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30 décembre 2015 – L’UICPA annonce la vérification de quatre nouveaux éléments – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8 juin 2016 – L’UICPA émet une recommandation provisoire sur les noms proposés – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
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