Où se termine le tableau périodique des éléments chimiques et quels sont les processus qui conduisent à l'existence des éléments lourds ?
Le fermium étudié au GSI/FAIR - Les chercheurs étudient les propriétés nucléaires de l'élément 100 à l'aide de la lumière laser
Une équipe de recherche internationale rend compte des expériences réalisées à l'accélérateur GSI/FAIR et à l'université Johannes Gutenberg de Mayence pour se rapprocher d'une réponse. Ils ont pu comprendre la structure des noyaux atomiques de fermium (élément 100) avec différents nombres de neutrons. En utilisant des techniques de spectroscopie laser d'avant-garde, ils ont suivi l'évolution du rayon de charge nucléaire et ont constaté une augmentation régulière au fur et à mesure que des neutrons étaient ajoutés aux noyaux. Cela indique que les effets de coquille nucléaire localisés ont une influence réduite sur le rayon de charge nucléaire dans ces noyaux lourds. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature.
Les éléments autres que l'uranium (élément 92), comme par exemple le fermium (élément 100), n'existent pas à l'état naturel dans la croûte terrestre. Pour être étudiés, ils doivent donc être produits artificiellement. Ils font le lien entre les éléments naturels les plus lourds et les éléments dits superlourds, qui commencent à l'élément 104. Les éléments superlourds doivent leur existence aux effets stabilisateurs de la mécanique quantique des coquilles, qui ajoutent environ deux millièmes de l'énergie de liaison nucléaire totale. Bien que faible, cette contribution est décisive pour contrebalancer les forces de répulsion entre les nombreux protons chargés positivement.
Les effets mécaniques quantiques induits par les éléments constitutifs des noyaux atomiques, les protons et les neutrons, qui forment ensemble le noyau, sont expliqués par le modèle de l'enveloppe nucléaire. À l'instar des atomes, où les enveloppes électroniques remplies conduisent à la stabilité chimique et à l'inertie, les noyaux dont les enveloppes nucléaires sont remplies (contenant des nombres dits "magiques" de protons/neutrons) présentent une stabilité accrue. Par conséquent, leur énergie de liaison nucléaire et leur durée de vie augmentent. Dans les noyaux plus légers, on sait que les enveloppes nucléaires remplies influencent également les tendances des rayons de charge nucléaire.
Les méthodes de spectroscopie laser permettent d'analyser les changements subtils de la structure atomique, qui fournissent à leur tour des informations sur les propriétés nucléaires telles que le rayon de charge nucléaire, c'est-à-dire la distribution des protons dans le noyau atomique. L'étude de plusieurs noyaux atomiques d'un même élément, mais avec des nombres de neutrons différents, a révélé une augmentation régulière de ce rayon, à moins qu'un nombre magique ne soit franchi. On observe alors un coude, la pente de l'augmentation radiale changeant à la fermeture de la coquille. Cet effet a été constaté pour des noyaux atomiques plus légers et sphériques, jusqu'au plomb.
Un nouvel aperçu de la structure nucléaire des noyaux lourds
"En utilisant une méthode basée sur le laser, nous avons étudié les noyaux atomiques de fermium, qui possèdent 100 protons et entre 145 et 157 neutrons. Plus précisément, nous avons étudié l'influence des effets de coquille de la mécanique quantique sur la taille des noyaux atomiques. Cela a permis de mettre en lumière la structure de ces noyaux dans la plage autour de l'effet de coquille connu au nombre de neutrons 152 sous une nouvelle perspective", explique le Dr Sebastian Raeder, porte-parole de l'expérience au GSI/FAIR. "À ce nombre de neutrons, la signature de la fermeture d'une coquille de neutrons a été observée précédemment dans les tendances de l'énergie de liaison nucléaire. La force de l'effet de coquille a été mesurée par des mesures de masse de haute précision au GSI/FAIR en 2012. La masse étant équivalente à l'énergie selon Einstein, ces mesures de masse ont donné des indications sur l'énergie de liaison supplémentaire fournie par l'effet de coquille. Les noyaux atomiques autour du nombre de neutrons 152 constituent un banc d'essai idéal pour des études plus approfondies, car ils ont davantage la forme d'un ballon de rugby que celle d'une sphère. Cette déformation permet aux nombreux protons de leur noyau d'être plus éloignés les uns des autres que dans un noyau sphérique".
Pour les mesures actuelles, une collaboration internationale de 27 instituts de sept pays a examiné des isotopes de fermium ayant des durées de vie allant de quelques secondes à une centaine de jours, en utilisant différentes méthodes de production des isotopes de fermium et en faisant évoluer les techniques de spectroscopie laser appliquées. Les isotopes à courte durée de vie ont été produits à l'accélérateur GSI/FAIR, avec seulement quelques atomes par minute disponibles pour les expériences dans certains cas. Pour les étudier, on a utilisé une méthode de spectroscopie laser adaptée que les chercheurs avaient mise au point il y a quelques années pour des mesures sur des isotopes de nobélium. Les noyaux produits ont été arrêtés dans du gaz argon et ont capté des électrons pour former des atomes neutres, qui ont ensuite été sondés par la lumière laser.
Les isotopes de fermium riches en neutrons et à longue durée de vie (fermium-255, fermium-257) ont été produits en quantités de l'ordre du picogramme au Laboratoire national d'Oak Ridge (États-Unis) et à l'Institut Laue-Langevin () à Grenoble (France). Une préparation radiochimique des échantillons a été effectuée à l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU). Selon une méthode différente, ils ont ensuite été évaporés dans un réservoir et examinés sous vide à l'aide d'une lumière laser.
La lumière laser d'une longueur d'onde appropriée soulève un électron de l'atome de fermium vers une orbitale supérieure, puis l'enlève complètement de l'atome, formant un ion de fermium, qui peut être détecté efficacement. L'énergie exacte requise pour ce processus de formation progressive des ions varie en fonction du nombre de neutrons. Cette petite variation de l'énergie d'excitation a été mesurée pour obtenir des informations sur le changement de taille des noyaux atomiques.
Les propriétés macroscopiques dominent
Les recherches ont permis de comprendre les changements du rayon de charge nucléaire dans les isotopes du fermium à travers le nombre de neutrons 152 et ont montré une augmentation régulière et uniforme. La comparaison des données expérimentales avec les divers calculs effectués par les partenaires de la collaboration internationale à l'aide de modèles théoriques modernes de physique nucléaire permet d'interpréter les effets physiques sous-jacents. Malgré des méthodes de calcul différentes, tous les modèles se sont révélés en bon accord entre eux ainsi qu'avec les données expérimentales.
"Nos résultats expérimentaux et leur interprétation à l'aide de méthodes théoriques modernes montrent que dans les noyaux de fermium, les effets de coquille nucléaire ont une influence réduite sur les rayons de charge nucléaire, contrairement à la forte influence sur les énergies de liaison de ces noyaux", explique Jessica Warbinek, doctorante au GSI/FAIR et à la JGU à l'époque des expériences et premier auteur de la publication. "Les résultats confirment les prédictions théoriques selon lesquelles les effets de coquille locaux, qui sont dus à quelques neutrons et protons individuels, perdent de leur influence lorsque la masse nucléaire augmente. Au lieu de cela, les effets dominants doivent être attribués à l'ensemble complet de tous les nucléons, les noyaux étant plutôt considérés comme une goutte de liquide chargée."
Les améliorations expérimentales de la méthode ouvrent la voie à d'autres études spectroscopiques par laser des éléments lourds dans la région autour et au-delà du nombre de neutrons 152 et représentent une étape vers une meilleure compréhension des processus de stabilisation dans les éléments lourds et super-lourds. Les développements en cours promettent que les études futures pourront également révéler les effets faibles de la structure de la coquille nucléaire, qui sont pourtant au cœur de l'existence des éléments connus les plus lourds.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Jessica Warbinek, Elisabeth Rickert, Sebastian Raeder, Thomas Albrecht-Schönzart, Brankica Andelic, Julian Auler, Benjamin Bally, Michael Bender, Sebastian Berndt, Michael Block, ... Petra Thörle-Pospiech, Norbert Trautmann, Mitzi Urquiza-González, Kenneth van Beek, Shelley Van Cleve, Piet Van Duppen, Marine Vandebrouck, Elise Verstraelen, Thomas Walther, Felix Weber, Klaus Wendt; "Smooth trends in fermium charge radii and the impact of shell effects"; Nature, Volume 634, 2024-10-30
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