La Fondation du patrimoine atomique a récemment reçu une vidéo historique montrant certains des scientifiques célèbres qui ont mené la course à la découverte de nouveaux éléments chimiques. La vidéo représente la découverte du mendelevium, ou élément 101. Produite et racontée par Claude Lyneis, physicien à la retraite au Lawrence Berkeley National Laboratory, la vidéo met en lumière les outils et les techniques utilisés par les scientifiques dans leur découverte passionnante. Cliquez ici ou faites défiler vers le bas pour voir la vidéo.
La recherche d’éléments transuraniques
Les scientifiques recherchent de nouveaux éléments depuis des centaines d’années. Lorsque Dmitri Mendeleïev a organisé les éléments connus selon un système périodique, ou répétitif, dans les années 1860, il y avait des lacunes, des éléments non encore connus mais avec des propriétés qui pouvaient être prédites par leur relation avec des voisins chimiques proches. La table de Mendeleïev a depuis été élargie pour incorporer de nouveaux éléments au-delà de ceux postulés par Mendeleïev. Ces éléments comprennent l’uranium, le plutonium et le mendélévium.
L’uranium a l’un des numéros atomiques les plus élevés, 92, de tous les éléments naturels présents sur terre. Des éléments au-delà de l’uranium, les éléments transuraniques, existaient sur terre après sa formation, mais leur demi-vie plus courte a conduit à leur disparition au fil du temps. La découverte des éléments transuraniques s’est donc produite en laboratoire. Alors que des traces de deux éléments transuraniques — le neptunium et le plutonium — ont été découvertes dans la nature, les deux ont été synthétisés avant qu’ils ne se produisent naturellement.
Dmitri Mendeleïev
Les premières tentatives de production de ces éléments transuraniques ont commencé avec Enrico Fermi, Emilio Segrè et leurs collègues à Rome. En 1934, peu de temps après la découverte du neutron par James Chadwick, Fermi et ses collègues ont utilisé des neutrons pour bombarder l’uranium, après quoi ils ont observé de nouveaux produits radioactifs. Au début, ils croyaient qu’il s’agissait d’éléments nouveaux. Cependant, les expériences d’Otto Hahn et de Fritz Strassmann ont indiqué qu’il s’agissait d’isotopes d’éléments plus petits, précédemment connus, résultant de la division du noyau d’uranium. Ces expériences ont inauguré l’ère atomique et, pendant un certain temps, les physiciens se sont concentrés sur l’étude de ce phénomène de fission nouvellement découvert.
Les éléments transuraniques ont été synthétisés en utilisant la même méthode générale que Fermi et Segrè utilisée dans leurs expériences au début des années 1930. Lorsqu’une particule plus petite entre en collision avec un noyau lourd, le noyau peut se séparer en petits morceaux, un processus appelé fission, ou les deux corps peuvent fusionner pour former un élément plus lourd. Les collisions de particules à grande vitesse ont conduit à la découverte d’un grand nombre d’éléments lourds. Cependant, ce n’est pas une tâche simple. Il a fallu de nouvelles techniques et matériaux, et beaucoup de chance, pour synthétiser d’abord ces éléments.
La découverte du Mendelevium
Dans leur chapitre écrit pour la Nouvelle Chimie, Glenn T. Seaborg et Walter D. Loveland a décrit la découverte du mendelevium comme « l’une des plus dramatiques de la séquence de synthèses d’éléments transuraniens. »En particulier », c’était le premier cas dans lequel un nouvel élément était produit et identifiait un atome à la fois. »
La découverte de Mendelevium a commencé par un bang, ou plus précisément par une explosion dans le Pacifique Sud. En 1952, le premier dispositif thermonucléaire, Ivy Mike, a été largué sur l’atoll d’Eniwetok, une explosion de dix mégatonnes qui a envoyé un nuage radioactif à plus de 130 000 pieds dans les airs. Des échantillons de ce nuage ont été prélevés dans des laboratoires aux États—Unis, où deux nouveaux éléments ont été découverts parmi les débris – les éléments 99 et 100, appelés plus tard einsteinium et fermium, respectivement.
Ces découvertes ont été faites au milieu d’une autre course nucléaire qui se déroule au milieu du XXe siècle, celle de la découverte de nouveaux éléments. Aux États-Unis, les principaux chercheurs étaient concentrés au Laboratoire de rayonnement de l’Université de Californie à Berkeley, sous la direction d’Ernest Lawrence. En utilisant le cyclotron de 60 pouces de Lawrence, les chercheurs ont couru pour trouver des preuves de nouveaux éléments. Ces nouveaux éléments, espéraient-ils, débloqueraient les secrets de l’atome et ouvriraient de nouveaux domaines de recherche, comme l’a fait la découverte du plutonium en 1940.
En utilisant un milliard d’atomes d’einsteinium-253 formés dans un réacteur en Idaho par irradiation de plutonium avec des neutrons, l’équipe de scientifiques — qui comprenait Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin et Seaborg — a conçu un plan pour produire un nouvel élément, l’élément 101. Tout d’abord, les atomes d’einsteinium ont été étalés sur une fine feuille d’or. Comme l’einsteinium a une demi-vie d’environ trois semaines, les scientifiques n’ont eu qu’une semaine environ après avoir reçu l’élément pour effectuer leurs expériences.
Collecte de la feuille d’or contenant des traces de mendelevium.
Lorsque Ghiorso a calculé le nombre approximatif d’atomes de l’élément 101 qui seraient créés lorsque la feuille d’or serait bombardée de particules alpha, il a trouvé que le nombre était beaucoup plus petit qu’il ne l’avait espéré. Selon les calculs de Ghiorso, un seul atome du nouvel élément 101 serait créé toutes les trois heures, la feuille d’or étant bombardée par des particules alpha.
Afin de séparer la quantité inimaginable du nouvel élément qui serait produit dans l’expérience, les scientifiques ont installé un deuxième morceau de feuille d’or derrière le premier pour attraper les atomes qui seraient lâchés par l’impact des particules alpha. Ce morceau de papier d’aluminium a été précipité sur la colline du cyclotron au laboratoire Rad, où il a été dissous et analysé. La demi-vie de l’élément 101 était de l’ordre des heures, c’était donc une course pour découvrir le nouvel élément avant qu’il ne disparaisse à nouveau.
Au petit matin du 19 février 1955, les scientifiques ont vu cinq comptes de fission, un produit de la division capté par l’un des nombreux détecteurs, caractéristiques de l’élément 101, et huit de l’élément 100, le fermium. C’était la preuve concluante dont ils avaient besoin; l’élément 101 n’était plus inconnu. La découverte de l’atome le plus lourd alors connu a été annoncée fin avril 1955. Dans un communiqué de presse publié par l’université, le caractère passionnant de la découverte a été souligné: « Les atomes du nouvel élément ont peut-être été les unités de matière les plus rares qui existent sur terre depuis près de 5 milliards d’annéesThe Les 17 atomes du nouvel élément se sont tous décomposés, bien sûr, et le « nouvel » élément est à nouveau éteint pour le moment. »Les scientifiques ont publié leur découverte dans le numéro de juin 1955 de Physical Review Letters, nommant leur élément « mendelevium » en l’honneur de Dmitri Mendeleev et de son tableau périodique.
En 1967, un nouvel isotope du mendelevium a été découvert, qui était à l’époque l’atome le plus lourd connu des scientifiques. Ce qui était plus excitant, cependant, était la demi-vie de l’isotope: le Mendelevium-258 durerait en laboratoire pendant des mois, ce qui augmentait considérablement les possibilités d’étude plus approfondie des éléments lourds et de leurs propriétés. Au sujet du potentiel d’autres éléments lourds à longue demi-vie, Seaborg a déclaré: « Ils ajouteront énormément à notre compréhension de base de la structure nucléaire. Je ne sais pas encore ce que cela signifiera en termes pratiques, mais nous ne savions pas à quoi servirait le plutonium lorsqu’il a été découvert il y a des années et qu’il alimente maintenant les navires. »Il existe seize isotopes connus du mendelevium.
La vidéo
Le bogue VW suralimenté de Ghiorso conduit l’échantillon au laboratoire Rad.
Faisant partie de 18 minutes d’images tournées par KQED, une station de radiodiffusion publique du nord de la Californie, la vidéo montre la découverte du mendelevium telle que reconstituée par certains des mêmes scientifiques qui ont effectué les expériences. La vidéo montre de manière spectaculaire l’habileté et la vitesse requises pour synthétiser le nouvel élément, ainsi que le voyage spectaculaire du cyclotron au laboratoire Rad dans le bogue VW suralimenté de Ghiorso.
Ces techniques placent l’équipe de Berkeley à l’avant-garde de la découverte élémentaire. Les travaux de Seaborg et Ghiorso ont conduit à la découverte de plus d’une douzaine de nouveaux éléments et ont contribué à élargir et à modifier la forme du tableau périodique, en ajoutant et en complétant ce qui est maintenant la série des actinides. Bien que les images aient pu être tournées à l’origine pour un documentaire sur les techniques expérimentales du laboratoire Rad, on ignore si les images ont déjà été diffusées avant la découverte de M. Lyneis.
La vidéo a été retrouvée par Lyneis, ancienne Directrice des opérations et du développement au laboratoire de Berkeley où les expériences ont été réalisées, dans une boîte de films dirigée vers la poubelle. Lyneis a monté la vidéo pour ajouter des effets sonores et une narration, expliquant les techniques utilisées par Ghiorso et ses collègues il y a plus de soixante ans. La boîte contenait également un enregistrement de la célébration du 25e anniversaire de Hanford, que Lyneis a également fait don à la Atomic Heritage Foundation et peut être vu ici.
Depuis 2016, il n’y a plus de lacunes dans les sept premières lignes du tableau périodique. L’expansion future reste incertaine, mais la recherche de nouveaux éléments se poursuit encore à ce jour. La Fondation du patrimoine atomique est reconnaissante au Dr Lyneis pour son travail et ses explications sur cette découverte révolutionnaire.