Les éléments superlourds

Leçon publique présentée en vue de l’obtention du graded’Agrégée de l’Enseignement Supérieur

par

Carmen Angulo PérezDocteur en physique

Salle du Sénat académique 1 septembre 2006

Où est la limite de la stabilité nucléaire?

Radioéléments ‘‘artificiels’’

MétauxNon-métauxPropriétés chimiques inconnues

Lavoisier (XVIII siècle)

Mendeleev (XIX siècle)

noyau stable

noyau instable

Nombre de neutrons, N

Nom

bre

depr

oton

s,Z

La carte des noyaux

SHE

SHE = ‘’Super Heavy Element’’

Plan de la présentation

Notions fondamentalesLa composition de la matièreLes forces d’interactionLa radioactivitéLes modèles théoriques:

L’énergie de liaison et les limites de la stabilitéLes nombres magiquesLa fission spontanée

Les éléments superlourdsMotivationUn peu d’histoireTechniques expérimentalesExemple: la synthèse de l’élément 115Situation actuelle et perspectives

Conclusions

Les composants de la matière

Matière organique et inorganique

Atome

Noyau

(Nucléons)

Quarks etGluons10-10 m

10-14 m10-15 m < 10-18 m

Protons (Z) etNeutrons (N)

En principe, une telle structure atomique est valable pour des atomes très lourdsavec Z~170 et au-delà, mais l’instabilité du noyau impose des limites à l’existencedes éléments.

Physique nucléaire

Les forces fondamentales

1. Interaction faible Intensité relativeResponsable des désintégrationsProduit des leptons, portée finie (~10-18 m) 10-14

2. Interaction électromagnétique 10-2

Électricité, magnétismeInteraction entre 2 corps chargés, attractive ou répulsive, portée infinie

3. Interaction nucléaire forte 1Responsable de la cohésion du noyau atomiqueInteraction entre 2 quarks, attractive, portée finie (~10-15 m)

Physique nucléaire vs. physique atomiqueForce nucléaire: mal connueForce électromagnétique: connue

La radioactivité

Noyaux stables: ils ne changent pas.

Noyaux radioactifs (la plupart): ils setransforment spontanément en un autrenoyau, en émettant des particules.

La chaîne de décroissance s’arrête seulementsi le dernier noyau est stable.

La demi-vie, T1/2 , est le temps après lequella moitié des noyaux se sont transformés.Il varie de la fraction de seconde à plusieursmilliards d’années.

Exemple:238U (8 x , 6 x ) 206Pb.

Les modes de décroissance

On va se servir de ces propriétés pour détecter et identifier de (nouveaux) éléments radioactifs:

- recherche - médecine

- radioprotection - radiobiologie …

(avec émission de rayons X)

noyau stabledécroissance +, ECdécroissance -

décroissancefission

Nombre de neutrons, N

Nom

bre

depr

oton

s,Z

La carte des noyaux

Étude de la ‘Terra Incognita’:1. Pour définir les composantes de la force nucléaire.

2. Pour comprendre les raisons de la cohésion des noyaux et de ses limites.

SHE

SHE = ‘’Super Heavy Element’’

Les isotopes

Les isotopes sont des éléments avec le même nombre deprotons (Z), mais avec une masse atomique (A) différenteà cause d’un nombre de neutrons différent (N).

N

Z

isotopes

A

Z N

…

Riches en neutrons‘‘Riches’’ en protons

Stables Radioactifs -Radioactifs +

Exemple, les isotopes de l’oxygène connus: 3 stables, 10 radioactifs

Les propriétés nucléaires peuvent évoluer rapidement le long d’une chaîne d’isotopes.Des noyaux de nombre atomique (A) différent peuvent présenter des propriétés similaires.

Isotopes connus: 500 (1940), … 3000 (2006).

Les éléments superlourds

1 p

Hydrogène

8 p + 8 n

Oxygène

109 p + 153 n

Meitnerium

…

N

Z SHE

L’atome d’un élément superlourds est composé d’un noyauavec un nombre de protons (Z) et de neutrons (N) trèsélevés, il a donc une masse nucléaire (A) très grande.

?

Comment un noyau contenant un nombre de protons très élevé peut survivre à la répulsionélectrostatique entre ces protons?

Et comment les électrons atomiques sont organisés dans leur champ électrique intense?

Quelles sont les propriétés physiques et chimiques des superlourds?

Quelle est la limite aux nombres de neutrons et de protons? Existe-il une limite?

Existe-t-il des élément superlourds avec un temps de vie très long?

Existent-ils dans la Nature? Si, oui, comment ont-ils été créés?

….

Questions ouvertes

Les forces à l’intérieur des noyaux:

interaction coulombienne tend à éloigner les protons

interaction nucléaire tend à lier le noyau

L’existence des éléments superlourds est un problème scientifique essentiel et undéfi pour la physique nucléaire.

Plan de la présentation

Notions fondamentalesLa composition de la matièreLes forces d’interactionLa radioactivité

Les modèles théoriques:L’énergie de liaison et les limites de la stabilitéLes nombres magiquesLa fission spontanée

Les éléments superlourdsMotivationUn peu d’histoireTechniques expérimentalesExemple: la synthèse de l’élément 115Situation actuelle et perspectives

ConclusionsBibliographie

14

12

E B/A

(MeV

parn

uclé

on)

Masse atomique A

L’énergie de liaisonDes évidences expérimentales montrent que la force nucléaire présente une saturation.La preuve la plus claire est donnée par l’énergie de liaison par nucléon:

Terme de surface

Terme coulombien

Terme de volume

56Fe

2H

7Li

235U

Modèle de la goutte liquide(von Weizsäcker, 1935)

Noyau = fluide chargé incompressibleet sans structure (sphérique).

effet de parité: un noyaupair-pair est plus stable

Les limites de la stabilité

À partir de ceci, on définit les énergies de séparation:

décroissance spontanée

protons:

neutrons:

alpha:

Limitent les lignes de cohésion ou ‘‘driplines’’:

liées à l’instabilité en particule associée à unedurée de vie de l’ordre de 10-21 s ( ~ 0.6 MeV).

Nombre de neutrons, N

Nom

bre

depr

oton

s,Z

Sn = 0

Sp = 0

Sp = 0

EF = 4 MeV

EF = 4 MeV

La carte des noyaux

La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé.

La fission spontanéeL. Meitner et O. Frisch, N. Bohr et J. Wheeler (1939): théorie

Paramètre de fissibilité : Plus il augmente, plus le noyau est instable.

Disparition de la barrière de fission

Il ne devrait pas exister…

Exemples:

G. Flerov et K. Petrjzak (1940): expérience

Répulsion coulombienne

Tension de surface

Probabilité de traverser la barrière:Barrière de fission

V(r)

déformation0

Demi-vie de fission:

La disposition des nucléonsLe noyau est un système quantique: les nucléons ne sont pas disposés de manière arbitraire, ilsoccupent des couches successives d’états suivant le principe de Pauli.

Nombre de neutrons

Ex(1

)en

MeV

8

20

2850 82

126

Énergie d’excitation despremiers états dans des

noyaux pair-pair

Des évidences expérimentales:

Modèle en couche(M. Goeppert-Mayer et H. Jensen, 1955)

Chaque nucléon est soumis à uneinteraction due aux autres nucléons.

Fermeture de couche:L’intervalle d’énergie pouratteindre la couche suivanteest plus grand.Le noyau correspondant àcette fermeture de coucheest plus stable:les nombres magiques

des noyaux très stables

On résout l’équation d’Schrödinger pour un potentiel du typeoscillateur harmonique.

On remplit les couches(états) suivant le principede Pauli.

2

8

20

50

28

L’îlot de stabilité

Les nombres correspondants aux fermetures de couche sont spécialement favorables en termesde stabilité nucléaire:

Les nombres magiques: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Le nombre magique suivant est 184 …

J. Wheeler (1956) prédit un îlot de stabilitésphérique autour du noyau Z = 114, N = 184

Des calculs récents prédisent l’îlot de stabilitéautour de Z = 120 – 126, N = 172 – 184.

N

Z

184162

114

108

Îlot de stabilitédes superlourds

Transuraniens

Nombre de neutrons, N

Nom

bre

depr

oton

s,Z

Sn = 0

Sp = 0

Sp = 0

EF = 4 MeV

EF = 4 MeV

La carte des noyaux

La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé.

28

50

82

50

82

184

126

126

Les effets de couche et la fission

Le modèle de la goutte liquide n’explique pas des évidences expérimentales:

Le noyaux non sphériques

L’asymétrie dans la fission

L’existence des isomères de fission

….

oblate

prolate

Des prédictions essentielles pour l’existence deséléments superlourds:

Guide pour les expérimentateurs

V. Strutinsky (1967) introduit la déformation dans le modèle de la goutte liquideen ajoutant les effets de couche:

Estimations plus réalistes des barrières de fission

Calculs des temps de vie de fission: drastiquement augmentés pour certains noyaux

Des modèles plus récentes:Champ moyen (Nilsson)Champ moyen auto-consistent (Hartree-Fock-Bogoliubov)Champ moyen relativiste

Plan de la présentation

Notions fondamentalesLa composition de la matièreLes forces d’interactionLa radioactivitéLes modèles théoriques:

L’énergie de liaison et les limites de la stabilitéLes nombres magiquesLa fission spontanée

Les éléments superlourdsMotivationUn peu d’histoireTechniques expérimentalesExemple: la synthèse de l’élément 115Situation actuelle et perspectives

ConclusionsBibliographie

Motivation

Pourquoi synthétiser des éléments de plus en plus lourds ?

Pour explorer les limites de la stabilité: quel est le prochain nombre magique?

Pour étudier:Leur structure (énergies d’excitations autour des nombres magiques)Leurs propriétés de décroissance (énergie des alpha, barrières de fission).

Pour comprendre:Le processus de formation (sections efficaces, influence de leur structure)

Un peu d’histoire…

Le XXeme siècle: un siècle de découvertes

1896 – 1940: Période de la radioactivitéla radioactivité, le noyau atomique, le neutron, la synthèse de nouveauxéléments radioactifs, la radioactivité artificielle, la fission induite

H. Becquerel, P. et M. Curie F. et I. Joliot-CurieE. Rutherford, J. Chadwick L. Meitner, O. Hahn et F. Strassman

Transuraniens

Noyaux très lourds

Noyaux superlourds

1940 – 1952: Période des neutronsle groupe de Berkeley, le Projet Manhattan, lesbombes nucléaires (Pu, H…)

1952 – 1974: Période de la fusion chaudeles éléments sont produits avec une grande énergied’excitation émission de neutrons ou fission.

1974 – 1999: Période de la fusion froideénergie d’excitation plus basse, probabilité de fissionfaible, mais répulsion coulombienne plus grande.

À chaque période: une technique de production

La période de la fusion chaude(1952 – 1974): nouveaux faisceaux, réactions de fusion entre noyaux lourds etprojectiles ‘‘légers’’

1974

1955Mendélévium (Z = 101)

1958Nobélium (Z = 102)Lawrencium (Z = 103)

1964Rutherfordium (Z = 104)

1970Dubnium (Z = 105)

1974Seaborgium (Z = 106)

Glenn Seaborg pointel’élément portant son nom(beaucoup de controverse

à propos des noms desnouveaux éléments!)

Seaborg et Ghiorso Flerov et Oganessian

Fusion ‘‘chaude’’:fusion suivie d’évaporation, les éléments sont produits avec une grande énergied’excitation, conduisant à l’émission de plusieurs neutrons ou à la fission.

Cibles lourdes (U, Pu, Am, Cf ..) – des actinidesProjectiles (B, C, O, N, Ne…)

LBL Berkeley JINR Dubna1955 La Guerre froide USA vs. Russie: grande avancée dans la physique des ions lourds

Élément produit:Contient assez de n, des chaînes de décroissance courteset inconnues, terminant sur des noyaux fissiles

Fusion ‘‘froide’’:éléments produits avec une énergie d’excitation plus basse, probabilité dedésintégration par fission faible, mais répulsion coulombienne plus grande.

Cibles (Pb, Bi ..)Projectiles lourds (Cr, Fe,…)

La période de la fusion froide(1975 – 1999): cibles plus ‘légères’, des collaborations internationales, des nouvellestechniques…

1975

1981Bohrium (Z = 107)

1982Meitnerium (Z = 109) 1994

Darmstadtium (Z = 110)Roentgenium (Z = 111)

1996Élément 112

1999Élément 114Élément 116

1981-1984 1994-1996

1984Hassium (Z = 108)

2004Élément 113

2005Élément 115

1999 - …

UNILAC SHIP

Separator forHeavy Ion Products

Limitations de la fusion froide:Section efficace de fusion basseNombre de neutrons limités

On reprend la fusion chaudeavec un faisceau de 48Caà Dubna (Z = 114, 115, 116, …)

Mais également à RIKEN (Z = 113),GANIL, Berkeley…

Darmstadt

1999Élément 118

Élément produit:Moins de n, des longues chaînes terminant dans des noyaux stables

La carte des noyaux en 2006

111

112

113

114

117

115

118

116

160 162

164 166 168 170 172 174

176 178 180 182 184

152 158156154

Mt 266

Db 262 Db 263

Sg 266

Db 258Db 256 Db 260Db 257

Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263Rf 259Rf 256Rf 255 Rf 258

Bh 261 Bh 262

Rf 257

Db 261

Sg 260 Sg 261 Sg 263Sg 259

Bh 264

Bh

Hs

Ds

Sg 258

Lr 259

No 258

Lr 260

No 259

Lr 261 Lr 262

No 262No 260

Lr 258

No 257

Lr 255

No 254

Lr 254

No 253

Lr 257

No 256

Lr 256

No 255

Md 257

Fm 256

Md 258

Fm 257

Md 259 Md 260

Fm 258 Fm 259

Md 256

Fm 255

Md 253

Fm 252

Md 252

Fm 251

Md 255

Fm 254

Md 254

Fm 253

Es 255 Es 256Es 254Es 251Es 250 Es 253Es 252

Cf 255 Cf 256Cf 253Cf 250Cf 249 Cf 251 Cf 252 Cf 254

110/273110/271

111/272

No

Md

Fm

Es

Cf

proton number

150

Db

Rf

Lr

No

Md

Fm

Es

Cf

Z = 114

1Hs 267Hs 265Hs 264

a

a

a

110/270

Hs 266

Sg 262

110/269

Mt 268

112/277

110/267

MtHs 269 Hs 270

Sg 265

Sg

Nom

bre

depr

oton

s

aa

108/2 75

110/279

106/271

112/284112/282

114/286 114/287

10.01

114/288

9.95

116/290

115/288115/28 7

113/284113/283

111/280

109/276

107/272

111/2 79

109/257

116/291

10.85 10.74

112/285

110/281

114/289

9.82

9.169.54

9.30

8.53

10.00

10.4610.59

10.12

9.75

9.71

9.02

10.37

10.33

105/268

15 ms

32 ms 87 ms

6.3 ms

0.1 s

0.15 s

0.17 s

0.72 s

9.8 s

16 h

9.7 ms

0.48 s

0.1 s0.5 ms

3.6 s

0.18 s

2.4 min

9.6 s

34 s

0.56 s 0.63 s 2.7 s0.16 s10.20

112/2834.0 s

116/292

10.6616 ms

107/217

116/293

53 ms

1.8 ms118/294

11.65

105/267

1.2 h

10.53

9.70

104/268104/267

2.3 h

N=

184

FUSION FROIDE:Cibles: Pb, BiFaisceau: Cr, Fe…

FUSION CHAUDECibles: U, Pu, Cf, Am(radioactives, riches en neutrons)Faisceau: 48Ca(stable!, excès de 8 neutrons, très cher)

Nombre de neutrons

Îlot destabilité dessuperlourds

Sections efficaces et barrières de fission

Nombre atomique Z

Sect

ion

effic

ace

(nba

rn) fusion froide

fusion chaude

fusion chaudeavec 48Ca

Avec des sections efficaces de l’ordre du picobarn, avec lesintensités des faisceaux et les efficacités de détection actuelles

1 événement en 1- 2 semaines d’expérience

Les réactions de fusion avec 48Caproduisent des éléments avec desbarrières de fission plus élevées

noyaux décroissent par alpha

Le séparateur à Dubna

‘‘Dubna Gas Filled Recoil Separator’’

Plan de la présentation

Notions fondamentalesLa composition de la matièreLes forces d’interactionLa radioactivitéLes modèles théoriques:

L’énergie de liaison et les limites de la stabilitéLes nombres magiquesLa fission spontanée

Les éléments superlourdsMotivationUn peu d’histoireTechniques expérimentales

Exemple: la synthèse de l’élément 115Situation actuelle et perspectives

ConclusionsBibliographie

La synthèse de l’élément 115

Fusion: Surmonter la barrière coulombienne ~236 MeV Faisceau à 248 MeV

L’élément 115 est produit à une énergied’excitation de 40 MeV

Désexcitationpar émission de 3 neutrons et des gamma

Ex= 40 eV

Ex= 0

neutron

neutron

gamma

neutron

Durée de l’expérience: 1 moisConsommation de 48Ca: 0.5 mg/heure

Yu. Ts. Oganessian et al., Phys. Rev. C69, 021601 (2004); Phys. Rev. C72, 034611 (2005).

La synthèse de l’élément 115

fission

10.46 MeV

9.75 MeV

9.71 MeV

125 ms

0.69 s

5.2 s

14.14 s

1.03 s

115

113

111

Mt

Bh

288

284

280

276

272

5

4

3

2

1

9.02 MeV

0.

Db268

10.00 MeV

Technique de lacorrélation génétique

Isolationchimique(Ta, Nb)

Demi-vie

T1/2 ~ 30heures

Détection et identification(temps, énergies)des cinq alpha

Signatures de la fission spontanée du 268Db (Z=105)

Décroissance alpha + fission

Que nous a appris l’expérience?

Synthèse:

Plus le noyau est lourd, plus de neutrons il contient, et plus il est difficile àsynthétiser

Nombre limité des candidats cible et faisceau

Les section efficaces de fusion augmentent avec:

La différence des masses (A) des noyaux qui fusionnent

La fermeture de couche

Détection:

Plus le noyau est lourd, plus il est difficile à détecter:La principale méthode d’identification: alpha + fission spontanée (corrélation génétique)

Utilisation de séparateurs + système de détections sophistiqués

Présent et futur des superlourds

De nouvelles idées:Utiliser des projectiles plus lourds: barrières de Coulomb plus élevées mais énergies d’excitationsplus basses plus haute probabilité de survivre

JINR, Dubna(DGFRS, Vassilisa)

RIKEN, Tokyo(GARIS) JAERI, Tokai

(RMS)

GSI, Darmstadt(SHIP)

GANIL, Caen(LISE3)

JYFL, Jyväskylä(RITU)LBL, Berkeley

(BGFS)

ANL, Argonne(FMA)

SynthèseSpectroscopie

ConclusionsDepuis 25 ans, on produit des éléments superlourds (Z = 107- 116) par différents méthodes enutilisant des accélérateurs et on étudie leurs propriétés (spectroscopie).

Actuellement: Z = 118 (2 événements!).

Ils restent un défi pour la physique nucléaire et la radiochimie et un sujet d’actualité:programmes de recherche des nouvelles installations à court et à long terme.

Les noyaux dans l’îlot de stabilité sont en principe isolés:Pas de chaînes de décroissance alpha.Des nouvelles idées et techniques d’identification (techniques chimiques, de spectrométriede masse, spectroscopie laser, …)

Physiciens: tests d’une valeur inestimable des modèles théoriques.Chimistes: prédictions des propriétés des éléments jusqu’ici inconnus.

Répondre à de multiples questions sur les propriétés et les limites de la matière nucléaire

Nombre de neutrons

Nom

bre

depr

oton

sLe physicien est un explorateur naviguant vers l’îlot de la stabilité