Transuraniens ?

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Au bout du tableau périodique

Fermi et ses ragazzi finirent par arriver début mai 1934 aux derniers éléments connus du tableau périodique, le thorium (Z=90) et l’uranium (Z=92).

L’expérience accumulée par le groupe le conduisit naturellement à penser qu’en bombardant l’uranium avec des neutrons, il produirait des transuraniens, c’est à dire les éléments suivant l’uranium : Z=93, 94, 95, 96… Les propriétés chimiques de l’uranium étaient supposées voisines de celles du tungstène, placé (à cette époque) juste au-dessus de lui dans le tableau périodique, et celles des hypothétiques éléments transuraniens étaient supposées analogues à celles des éléments suivant le tungstène, c’est à dire le rhénium, l’osmium, l’iridium et le platine. Selon une tradition remontant à Mendeleïev, on leur donnait donc les noms provisoires d’éka-rhénium, éka-osmium, etc.

  • éka-rhénium (Z=93)
  • éka-osmium (Z=94)
  • éka-iridium (Z=95)
  • éka-platine (Z=96)
Le tableau périodique tel qu’il était conçu à l’époque des expériences de Fermi
Le tableau périodique tel qu’il était conçu à l’époque des expériences de Fermi

En fait les éléments suivant le radium (actinium etc.) ont à peu près tous les mêmes propriétés chimiques, qui n’ont rien à voir avec celles du rhénium (et des éléments suivants). Les propriétés chimiques des éléments dépendent en effet des électrons situés dans la couche la plus externe, et il se trouve que l’avant-dernière couche des éléments qui suivent l’actinium (Z=89) n’est pas remplie. Elle se remplit progressivement de l’actinium au lawrencium (Z=103), sans que la couche externe varie, ce qui signifie que tous ces éléments ont des propriétés chimiques très proches. Mais cela ne fut connu qu’à la suite des travaux de Glenn Seaborg (1912-1999) dans les années 1940, et tous ces éléments, les actinides, sont maintenant regroupés dans la même case du tableau périodique, celle de l’actinium. Les éléments de Z=57 (lanthane) à Z=71 (lutétium), les lanthanides ou « terres rares », occupaient déjà, pour la même raison, la même case du tableau périodique, celle du lanthane.

Il n’était pas si simple d’irradier l’uranium pour rechercher ensuite le faible signal d’une transmutation bêta, car tout échantillon d’uranium possède ses propres émetteurs alpha et bêta, venant des produits situés après lui dans la chaîne bien connue de ses transmutations. Fermi utilisait bien évidemment de l’uranium naturel qui est à 99.3% de l’uranium 238. L’uranium 235 est un isotope rare (0.7%) qui ne fut découvert qu’en 1935. D’Agostino devait donc commencer par purifier l’uranium de tous ces contaminants. Il fallait ensuite rapidement effectuer l’irradiation puis l’analyse physico-chimique du résultat, avant que les transmutations bêta de la chaîne masquent l’effet recherché. Après l’irradiation, D’Agostino devait donc extraire très rapidement de la solution d’uranium le nouveau produit formé.

Quatre émissions bêta furent observées, de demi-vies différentes:

  • 10 s
  • 40 s
  • 13 mn
  • 90 mn

et peut-être une cinquième, avec une demi-vie encore plus longue. À quels éléments correspondaient ces transmutations bêta et à quels éléments donnaient-elles naissance?

Transuraniens?

L’expérience acquise au cours des mois précédents avec les bombardements  par des neutrons avait indiqué au groupe de Fermi qu’en irradiant les éléments de la fin du tableau périodique, on obtenait le plus souvent l’élément suivant Z+1 après une transmutation ß—.

En bombardant de l’uranium (Z=92), Fermi pensait donc, logiquement, avoir provoqué la formation d’un isotope plus lourd de l’uranium 238, sans doute l’uranium 239, et que par quatre transmutations bêta successives, celui-ci était devenu l’isotope 239 des éléments suivants Z=93, (éka-rhénium), Z=94 (éka-osmium), Z=95 (éka-iridium) et Z=96 (éka-platine). Il aurait donc réussi à créer les quatre premiers transuraniens (mais sans savoir qui était qui).

U238 → U239 → éka-Re239 → éka-Os239 → éka-Ir239 → éka-Pt239

Il avait d’ailleurs raison, mais en partie seulement. En notations plus modernes, on a bien, dans un réacteur nucléaire où le flux de neutrons est continuellement très intense, la succession de réactions :

  • 23892U + n   →   23992U
  • 23992U   →   23993Np  +  e    [t½ = 23.5 min]
  • 23993Np   →   23994Pu  +  e  [t½ = 2.35 jours]

Il est donc probable que Fermi et son équipe aient réellement produit des transuraniens. Mais les durées de vie indiquées ici (23 mn et 2 jours) ne sont pas celles relevées par l’équipe de Fermi. C’est que la situation se révéla plus compliquée qu’avec les éléments légers.

Plus de 90% des neutrons « ricochaient » sur les noyaux d’uranium, souvent en perdant  de l’énergie, et s’échappaient sans plus interagir avec les cibles. Mais quand le neutron était vraiment capturé, le groupe de Rome engendrait en réalité dix fois moins souvent de transuraniens qu’il ne brisait de noyaux d’uranium (l’existence du mécanisme de fission ne fut réalisé qu’au bout de quatre années d’efforts). Par conséquent les radioéléments produits étaient dix fois plus souvent ce qu’on appelle aujourd’hui des produits de fission bien plus légers que l’uranium (comme l’iode, le césium ou le strontium) que d’authentiques transuraniens.

Pourtant Fermi était un homme extrêmement prudent, se refusant toujours à affirmer quelque chose dont il n’était pas absolument certain (politiquement, il était plutôt conservateur, dans la mesure limitée où il s’intéressait à autre chose qu’à la physique). Il voulut s’assurer que l’irradiation neutronique ne fabriquait pas aussi des éléments un peu plus légers que l’uranium, comme cela était le cas pour les éléments du début du tableau périodique où le bombardement de neutrons fabriquait l’élément Z—1 ou parfois Z—2. Il demanda à D’Agostino de contrôler cette éventualité. Celui-ci s’attaqua aux éléments de demi-vie 13 mn et 90 mn, les autres disparaissant trop rapidement pour permettre leur analyse chimique. La technique habituelle était la méthode des porteurs: on ajoute à l’élément irradié une petite quantité des éléments voisins sur le tableau périodique, on effectue des séparations chimiques standard et on repère quel élément le corps radioactif suit. C’est de cette manière que les Curie avaient identifié la position du polonium et du radium dans le tableau périodique. D’Agostino démontra successivement que les éléments en question ne suivaient:

  • ni le plomb (Z=82),
  • ni le bismuth (Z=83),
  • ni le polonium (Z=84),
  • ni le radium (Z=88),
  • ni l’actinium (Z=89),
  • ni le thorium (Z=90)
  • ni le protactinium (Z=91)

Leur comportement chimique démontrait qu’il ne s’agissait donc pas d’isotopes inconnus de ces éléments. Leur comportement excluait également qu’il s’agisse d’un isotope du radon (Z=86) qui est gazeux. Restaient les éléments alors inconnus Z=85 (l’astate) et Z=87 (le francium), mais les deux produits mystérieux avaient un comportement chimique très différent de celui qui était attendu pour ceux-ci (le 85 devait être analogue aux halogènes comme le chlore ou l’iode, et le 87 analogue aux métaux alcalins comme le sodium ou le potassium).

Comme dans les irradiations antérieures, les éléments formés étaient toujours situés à une ou deux positions de l’élément cible dans le tableau périodique, Fermi se sentit assez sûr de lui pour adresser le 10 mai 1934, sous son seul nom, un très bref article à la revue Nature («Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92», Nature 133, 898) annonçant la possible découverte de deux transuraniens, avec les identifications :

  • «13mn» = éka-Re (Z=93)
  • «30mn» = éka-Os (Z=94) ou éka-Ir (Z=95)

L’identification du «13mn» avec l’élément 93 était due à son comportement chimique voisin du manganèse et du rhénium, mais Fermi lui-même ne la jugeait pas très sûre.

Tableau périodique après Moseley
Le tableau périodique après les travaux de Moseley indiquant en rouge les éléments restant alors à découvrir (avec la date de leur découverte), et en bleu les lanthanides

Science et politique

faisceau_licteurLa nouvelle eut un énorme retentissement. Corbino, le protecteur de Fermi, devait inaugurer la session de l’Accademia dei Lincei, en présence du roi d’Italie, et il consacra son discours à « Résultats et perspectives de la physique moderne ». Il se focalisa bien sûr aux travaux sur les neutrons et tout particulièrement sur la découverte des transuraniens, présentée comme certaine au grand dam de Fermi qui en fut très affecté. Corbino avait aussi rendu prématurément publics les noms ausonium (symbole Ao) et hesperium (symbole Es) choisis pour les nouveaux éléments Z=93 et Z=94. Ces noms venaient de noms grecs anciens de l’Italie, mais le gouvernement fasciste voulut imposer le nom littorium (du mot italien littorio qui désigne le faisceau du licteur, symbole du régime). Corbino fit diplomatiquement remarquer qu’il serait peu judicieux d’associer le fascisme à un élément dont la durée de vie se mesurait en minutes, et l’idée fut vite abandonnée.

Voix discordantes

Au milieu du concert de louanges s’éleva une voix discordante. La chimiste allemande Ida Noddack fit remarquer dès septembre («Über das Element 93» Zeitschrift für Angewandte Chemie 47-653) que l’équipe de Fermi n’avait pas démontré que leur nouvel élément n’était pas un élément déjà connu situé bien avant le plomb dans le tableau périodique. Elle soulignait que depuis la découverte de joliot

Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire en 1932
Irène Curie et Frédéric Joliot dans leur laboratoire en 1932

, on savait qu’il existait des éléments radioactifs légers, et qu’il n’était donc pas exclu que les éléments analysés par D’Agostino fussent des isotopes d’éléments légers, comme Fermi en avait lui-même fabriqué !

Ida Noddack (1896-1978)
Ida Noddack (1896-1978)

Ida Noddack n’était pas n’importe qui : en 1925, elle avait découvert avec son mari Walter le rhénium. Certes, ils avaient annoncé en même temps la découverte de l’élément Z=43, qu’ils avaient baptisé masurium (du nom de la Mazurie en Prusse, région natale de Walter Noddack) avant de voir cette seconde découverte fortement contestée par leur pairs, et de perdre quelque peu de leur crédit.

Ida Noddack suggérait donc qu’il était

concevable que le noyau d’uranium soit brisé en plusieurs gros fragments, qui seraient évidemment des isotopes d’éléments connus, mais ne seraient pas des voisins

du noyau initial. Elle tenta de convaincre Fermi, ainsi que ses collègues berlinois Lise Meitner et Otto Hahn, d’explorer cette voie. Bizarrement, elle ne le fit pas elle-même alors qu’elle était une excellente radiochimiste. Bien sûr, avec le recul, il est clair qu’elle avait tout à fait raison : après le choc d’un neutron sur un noyau d’uranium, la plupart des éléments radioactifs observés sont les produits de la fission de l’uranium, des éléments beaucoup plus légers comme le baryum (Z=56) ou ses voisins, et le krypton (Z=36) ou ses voisins.

Mais en 1934, la réaction négative de la communauté des physiciens nucléaires devant la mise en garde de Noddack n’avait rien d’absurde. Elle était parfaitement rationnelle au contraire. D’une part, toutes les réactions nucléaires jusqu’alors étudiées ne faisaient varier que de quelques unités la masse atomique du noyau cible, qu’il s’agisse du résultat des collisions de protons ou d’alphas, ou des émissions radioactives spontanées alpha, bêta et gamma. D’autre part, la théorie quantique de l’émission d’une particule alpha (noyau d’hélium) par un noyau lourd reposait sur l’effet tunnel, et étendre cette théorie à l’émission d’un noyau beaucoup plus gros, comme semblait l’impliquer la suggestion de Noddack, conduisait à une probabilité extraordinairement faible, incompatible avec les observations. Il était donc logique de ne regarder que les noyaux voisins (dans le tableau périodique) du noyau cible. Ce qu’avait fait Fermi. Si Noddack avait en fait raison, c’est parce que la fission n’est pas due à un effet tunnel.


Contact: lettreani
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