Existe-t-il un élément super-lourd ultime ?

Publié par Redbran le 10/07/2020 à 13:00
Source: CEA
Grâce à un détecteur équipé d'électronique numérique, des chercheurs du CEA-Irfu et leurs partenaires finlandais ont mesuré la durée de demi-vie d'un état excité de nobelium 250, près de dix fois plus longue que celle de son état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à...) (proche de 35 µs). Une première pour des durées aussi courtes !

L'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de prévoir...) d'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est...) est lié à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) occupés par les protons et les neutrons qui le composent. Or certains états excités du noyau ne sont pas plus instables que l'état d'énergie la plus basse (fondamental) - dont la durée de vie (La vie est le nom donné :) est typiquement de l'ordre de la picoseconde (10-12 s) - mais au contraire, peuvent "survivre" des secondes, des heures (L'heure est une unité de mesure  :), voire même des années. Ces états dits isomériques sont intéressants à étudier pour la traque aux éléments les plus lourds du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique.

Ces dernières années, l'électronique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) a gagné du terrain dans les expériences de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :). Elle permet désormais d'échantillonner les signaux provenant d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) à plan focal à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) de 50 à 100 MHz et il est ensuite possible de séparer, grâce à des algorithmes, des événements très proches temporellement.

Avec ce type de dispositif, des physiciens de l'Irfu et de Jyväskylä (Finlande) ont pu étudier pour la première fois la spectroscopie de désintégration du nobelium 250 (250No), composé de 102 protons et 148 neutrons, qui possède un état isomérique particulièrement intéressant.

Le nobelium 250 est ici produit à la fois dans l'état isomérique et dans l'état fondamental, par collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) entre un faisceau de particules et une cible. L'état isomérique se désintègre via des états excités intermédiaires, en émettant des électrons et des rayons gamma, avant d'atteindre finalement l'état fondamental. Celui-ci étant radioactif, il se désintègre par divers mécanismes dont la fission.

Après sa production au niveau de la cible, le nobélium (Le nobélium est un élément chimique de symbole No et de numéro atomique 102. Il a été découvert par l'Institut Nobel de...) 250 est séparé de la plus grande partie des autres produits de réaction grâce à un séparateur. Il est ensuite implanté dans un pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution...) du détecteur localisé au plan focal du séparateur. Dans ce même pixel, trois événements peuvent être identifiés successivement:
- la réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans...) donnant naissance aux deux états de 250No (via un produit de réaction),
- la désintégration de l'état isomérique de 250No (via une bouffée d'électrons),
- la fission de l'état fondamental de 250No (via un produit de fission).

Les chercheurs en déduisent la durée de demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la demi-vie est le temps nécessaire pour qu'un...) de l'état fondamental de 250No (3,8 ± 0,3 μs) et celle, plus longue, de son état isomérique (34,9-3,2+3,9 μs).

Cette "anomalie" suggère que l'existence de l'état isomérique oppose un obstacle à la fission de l'état fondamental de 250No, contribuant ainsi à la stabilité du noyau. Ce phénomène a également des conséquences importantes pour les modèles de structure nucléaire (La connaissance de la structure des noyaux atomiques, ou structure nucléaire est un des chapitres clés de la physique nucléaire. Compte tenu de son...) visant à déterminer les limites de l'îlot de stabilité des éléments super-lourds.

Où se termine le tableau périodique ? Les physiciens ne le savent pas encore mais pourraient bien apporter prochainement une réponse à cette question...


(c)Jyväskylä

Références:
Stability of the heaviest elements: K isomer in 250No, Phys. Rev. C

Voir aussi notre précédent article sur le même sujet:
Éléments lourds: où se termine le tableau périodique des éléments (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments...) ?
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