redresse=1.5|vignette|Tableau périodique étendu proposé par P. Pyykkö.
Un tableau périodique étendu est un tableau périodique comportant des éléments chimiques au-delà de la , éléments hypothétiques de numéro atomique supérieur à cent dix-huit (correspondant à l'oganesson) classés en fonction de leurs configurations électroniques calculées.
Le premier tableau périodique étendu a été théorisé par Glenn Seaborg en 1969 : il prévoyait une contenant du bloc g et une nouvelle famille d'éléments chimiques dite des « superactinides ». D'autres tableaux étendus ont été publiés par la suite, répartissant les éléments sur parfois , comme celui proposé en 1971 par Fricke ou celui proposé en 2011 par Pekka Pyykkö.
Limite du tableau périodique
Rien ne permet de préciser le nombre maximum de protons et d'électrons qu'un même atome peut contenir. La limite d'observabilité pratique est généralement estimée à au plus Encyclopaedia Britannica : article « Transuranium Element », dont la brève section « End of Periodic Table » en fin d'article situe entre 170 et 210 la borne supérieure théorique du numéro atomique, et à la limite d'observabilité des atomes., dans la mesure où l'existence des atomes superlourds se heurte à la limite de stabilité des noyaux. Cela place la fin du tableau périodique peu après l'une des valeurs proposées pour le dernier îlot de stabilité, centré dans ce cas autour de .
Richard Feynman releva en 1948 qu'une interprétation simple de l'équation de Dirac semi-relativiste aboutit à l'impossibilité de représenter les orbitales atomiques lorsque le numéro atomique Z est supérieur à , où α est la constante de structure fine : de tels atomes ne pourraient avoir d'orbitale électronique stable pour plus de , ce qui rendrait impossible l'existence d'atomes électriquement neutres au-delà de ; l' est depuis lors parfois surnommé « feynmanium ».
Le modèle de Bohr donne par ailleurs une vitesse v supérieure à la vitesse de la lumière c pour les électrons de la sous-couche 1s dans le cas où :
.
Une étude plus poussée, prenant notamment en compte la taille non nulle du noyau, montre cependant que le nombre critique de protons pour lequel l'énergie de liaison électron-noyau devient supérieure à 2mc, où m représente la masse au repos d'un électron ou d'un positron, vaut : dans ce cas, si la sous-couche 1s n'est pas pleine, le champ électrostatique du noyau y crée une paire électron-positron CEA Saclay – Spectroscopy of very heavy elements Slide #16 – Limit of stability: positron emission. avec notamment toute une liste de références à consulter sur le thème de l'électrodynamique quantique., d'où l'émission d'un positron ; si ce résultat n'écarte pas complètement la possibilité d'observer un jour des atomes comprenant plus de , il met en lumière un facteur supplémentaire d'instabilité les concernant.
Conjectures au-delà de la
Au-delà des sept périodes standard, une huitième période est envisagée pour classer les atomes — à ce jour inobservés — ayant plus de . Cette huitième période serait la première à posséder des éléments du bloc g, caractérisés à l'état fondamental par des électrons sur une orbitale g. Néanmoins, compte tenu des limites à la périodicité aux confins du tableau — effets relativistes sur les électrons des très gros atomes — qui deviennent significatifs dès le dernier tiers de la , il est peu probable que la configuration électronique de tels atomes obéisse aux règles observées tout au long des six premières périodes. Il est en particulier délicat d'établir le nombre d'éléments contenus dans ce : la règle de Klechkowski en prédit 18, mais la méthode de Hartree-Fock en prédit 22.
Le tableau périodique étendu à la huitième période avec dans le pourrait ainsi présenter l'aspect suivant :
1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 8 119 120 * 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 ↓ * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142
Une neuvième période est parfois évoquée, mais, compte tenu de l'incertitude réelle quant à la possibilité d'observer à terme plus d'une dizaine d'éléments nouveaux sur la huitième période, tous les éléments de numéro atomique supérieur à 130 relèvent a priori de la pure extrapolation mathématique. À noter qu'une variante de la table ci-dessus, proposée par Fricke en 1971 et revue par Pekka Pyykkö en 2011, répartit les éléments sur , et non 8, en les distribuant de manière non périodique : les éléments 139 et 140 sont ainsi placés entre les éléments 164 et 169, dans le et non plus dans le , tandis que les éléments 165 à 168 sont placés sur une dans les et p :
1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 8 119 120 * 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 139 140 169 170 171 172 9 165 166 ↓ 167 168 * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138
Méthodes de synthèse d'éléments superlourds
+ Synthèses des transactinides de la Ion Cible Nucléide Année Rutherfordium
19641969 Dubnium
19681970 Seaborgium
1974 Bohrium
1981 Hassium
1984 Meitnérium
1982 Darmstadtium
1994 Roentgenium
1994 Copernicium
1996 Nihonium
2004 Flérovium
2003 Moscovium
2003 Livermorium
2000 Tennesse
2010 Oganesson
2002
La synthèse de nouveaux éléments superlourds passe par la maîtrise des techniques de fusion nucléaire. Celles-ci consistent à projeter des noyaux atomiques les uns contre les autres avec suffisamment d'énergie pour former un état transitoire appelé noyau composé, à partir duquel les nucléons des noyaux incidents peuvent se réorganiser en couches nucléaires correspondant à un noyau unique.
Fusion chaude et fusion froide
On distingue généralement la fusion dite « chaude », qui produit des noyaux composés pourvus d'une énergie d'excitation de l'ordre de , de la fusion dite « froide » (qui, dans ce contexte, n'a aucun rapport avec le concept médiatique également appelé « fusion froide »), produisant des noyaux composés à l'énergie d'excitation d'environ . Dans le premier cas, la probabilité que les collisions forment des noyaux composés augmente, mais ces noyaux fissionnent le plus souvent, avec une faible probabilité de dissiper leur énergie d'excitation en émettant quelques neutrons (typiquement de 3 à 5) pour former un noyau superlourd unique, dont la désintégration peut être détectée ; dans le second cas, la probabilité de former des noyaux composés est plus faible, mais avec également une probabilité plus faible que les noyaux composés ainsi formés subissent une fission spontanée, ce qui peut favoriser la formation de noyaux superlourds après émission d'un ou deux neutrons.
Cibles et projectiles
En pratique, la fusion chaude consiste à utiliser une cible en actinide (sur la du tableau périodique) sur laquelle sont accélérés très fortement des ions assez légers de la , voire de la . La fusion froide, quant à elle, fait intervenir des cibles plus légères — un métal pauvre de la comme le plomb ou le bismuth — sur lesquelles sont accélérés des ions plus lourds, typiquement un métal de la . Les premiers transactinides (éléments 104Rf et 105Db) ont été obtenus par fusion chaude, tandis que le seaborgium () a été découvert en 1974 par deux équipes indépendantes travaillant l'une aux États-Unis par fusion chaude et l'autre en URSS par fusion froide :
Fusion chaude : + → → + 4 .
Fusion froide : + → → + 2 . + → → + .
La fusion froide a ensuite permis de découvrir les éléments 107Bh, 108Hs, 109Mt, 110Ds, 111Rg, 112Cn et 113Nh. Ce dernier a été obtenu en 2004 en fusionnant l'ion métallique le plus lourd de la avec la cible la plus lourde utilisable sur la :
+ → → + .
Les nucléides superlourds suivants ont par conséquent été synthétisés par une méthode différente, tirant parti des propriétés exceptionnelles du , souvent qualifié de (c'est-à-dire de solution inespérée), mettant en œuvre une fusion chaude avec des cibles en actinide, plus riches en neutrons, et un ion plus lourd de la : le ; cette méthode a permis de découvrir les cinq éléments 114Fl, 115Mc, 116Lv, 117Ts et 118Og.
Tentatives de synthèse d'éléments de la
Un grand nombre de paramètres doit être pris en compte pour parvenir à produire des nucléides de la .
Une réaction de fusion a généralement un rendement d'autant plus élevé qu'elle est asymétrique, c'est-à-dire que le rapport des nombres de masse entre la cible et l'ion utilisé comme projectile est plus élevé. Cela entre en ligne de compte lorsqu'on accélère un ion métallique de la sur un actinide de la .
Le taux de neutrons dans les noyaux atomiques augmente avec le numéro atomique : le ratio N⁄Z vaut par exemple 1 à 1,2 pour les isotopes stables du néon sur la , mais vaut 1,52 pour le () et 1,60 pour le (). Les projectiles doivent par conséquent être aussi riches en neutrons que possible, sinon les noyaux produits par fusion seront trop riches en protons et se désintégreront avant de pouvoir être observés. Le est ainsi un projectile de choix, car il est à la fois léger, quasiment stable, et particulièrement riche neutrons, avec un ratio N⁄Z de 1,4 : c'est lui qui a permis la découverte des éléments 114Fl, 115Mc, 116Lv, 117Ts et 118Og. Des alternatives plus lourdes au 48Ca existent, mais sont moins riches en neutrons, par exemple le (), le (), le () et surtout le () ; l'utilisation d'ions plus lourds rend cependant la réaction plus symétrique, ce qui réduit sa probabilité de succès.
La double contrainte de conserver une réaction asymétrique et de produire des nucléides riches en neutrons implique d'utiliser des cibles formées d'atomes eux-mêmes de plus en plus lourds. Les cibles utilisées aujourd'hui sont des actinides déjà difficiles à produire en quantité et avec une pureté suffisantes, et qui de surcroît se désintègrent rapidement : par exemple, le utilisé pour synthétiser l'élément 117 au JINR en 2010 n'était alors produit qu'au laboratoire national d'Oak Ridge et se désintègre avec une période radioactive d'environ . Il est par conséquent difficile en pratique de disposer de cibles formées d'atomes beaucoup plus lourds : le , par exemple, qui ferait une excellente cible pour tenter la synthèse de l' avec le , ne peut être produit qu'à raison de quelques picogrammes () par livraison, alors qu'on peut disposer de milligrammes () de .
Pour ces raisons, les tentatives de synthèse d'éléments de la ont consisté en des fusions chaudes d'ions de , de , de ou de sur des cibles en , en , en ou en : élément 119. : + → ; élément 120 : + → ; + → ; élément 122 : + → ; + → .
Cette configuration réduit la probabilité de succès de l'expérience, mais, en contrepartie, rend la fusion plus froide, ce qui réduit l'énergie d'excitation du noyau composé résultant, lequel aura ainsi tendance à se désintégrer moins vite. Aucune de ces tentatives n'avait cependant été fructueuse en 2016.
Acteurs de ces recherches