Superactinide

On appelle superactinide tout élément chimique — dont l'existence demeure à ce jour hypothétique — de numéro atomique compris entre 121 (unbiunium) et 153 (unpenttrium). Ces éléments feraient suite aux transactinides, remplissant progressivement les sous-couches 5g et 6f par numéro atomique croissant.

L'existence de cette série avait été conjecturée par Glenn Seaborg, lauréat du Prix Nobel de chimie 1951. Elle n'est pas reconnue par l'UICPA, dont le tableau périodique de référence s'arrête à l'élément 112.

Nombres magiques et îlot de stabilité

Le modèle en couches décrivant la structure nucléaire implique l'existence de « nombres magiques » par type de nucléons en raison d'une stratification des neutrons et des protons en niveaux d'énergie quantiques dans le noyau, à l'instar de ce qui se passe pour les électrons au niveau de l'atome. Dans ce modèle, les nombres magiques correspondent à la saturation d'une couche nucléaire par un type de nucléons, d'où une stabilité accrue de l'ensemble du noyau ; ces nombres sont :

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184.

Ce modèle en couches permet notamment de rendre compte des écarts d'énergie de liaison nucléaire constatés dans les atomes par rapport aux résultats de la formule de Weizsäcker fondés sur le modèle de la goutte liquide du noyau atomique, ou encore d'expliquer pourquoi le technétium ₄₃Tc ne possède aucun isotope stable. Les noyaux « doublement magiques », constitués d'un nombre magique de protons et d'un nombre magique de neutrons, sont particulièrement stables. De ce point de vue, un « îlot de stabilité » pourrait exister autour de l'unbihexium 310, doublement magique avec 126 protons et 184 neutrons.

C'est ainsi que les premiers termes de la série des superactinides, et notamment la première moitié des éléments du bloc g (jusqu'à Z ≈ 130), pourraient avoir des isotopes sensiblement plus stables que les autres nucléides superlourds, avec des périodes radioactives atteignant quelques secondes ; d'après la théorie de champ moyen relativiste, la stabilité particulière de ces nucléides serait due à un effet quantique de couplage des mésons ω, l'un des neuf mésons dits « sans saveur ».

Les contours exacts de cet îlot de stabilité ne sont toutefois pas clairement établis, car les nombres magiques des noyaux superlourds semblent plus difficles à préciser que pour les noyaux légers, de sorte que, selon les modèles, le nombre magique suivant serait à rechercher pour Z compris entre 114 et 126.

Limites physiques à la taille des noyaux

Il n'est toutefois pas certain que l'existence d'atomes aussi lourds soit physiquement possible, la répulsion électrostatique d'un nombre trop important de protons dans un même noyau pouvant induire une fission spontanée ou la fuite des protons en excès pour retomber sur des numéros atomiques inférieurs. On considère en effet que la fission spontanée est possible dès lors que Z / A ≥ 45, ce qui est précisément le cas de l'unbihexium-310 (puisque 126 / 310 ≈ 51) ; si l'effet des nombres magiques prédits par la théorie en couches du noyau atomique se vérifie également pour cet isotope, il sera de toute façon rendu instable par sa conformation très elliptique.

Par ailleurs, plusieurs équations font intervenir le produit αZ, dans lequel α représente la constante de structure fine, et ne sont valides que lorsque ce produit est inférieur à 1 ; dans la mesure où α ≈ 1/137, un problème apparaît à partir de l'untriseptium :

• D'après le modèle de Bohr, non relativiste, la vitesse d'un électron de la sous-couche 1s serait supérieure à la célérité de la lumière pour Z > 137 :

• L'équation de Dirac devient également invalide au-dela de Z = 137 pour la même raison, en exprimant l'énergie d'un atome à l'état fondamental par :

où m_e est la masse de l'électron au repos.

Ces équations sont approchées et ne tiennent pas compte, par exemple, de la dimension non nulle des noyaux atomiques (d'autant plus sensible que les atomes sont lourds) ni même de la théorie de la relativité (cas du modèle de Bohr), de sorte qu'elles n'impliquent pas la non-existence des noyaux à 137 protons et plus ; mais cela laisse entrevoir une limite physique au numéro atomique tel que nous le conceptualisons habituellement, avec des propriétés particulières pour les atomes superlourds (de l'ordre de Z = 150, et au-delà, pour lesquels l'énergie des électrons représenterait deux à trois fois leur masse au repos, qui est de 511 keV) s'ils devaient effectivement exister.

Si l'on tient compte des effets relativistes dans la structure du cortège électronique de tels atomes, la limite semble se situer vers Z ≈ 173 électrons plutôt que 137 tandis que le même raisonnement appliqué aux noyaux aboutit à une limite vers Z ≈ 210 protons. Du point de vue des niveaux d'énergie nucléaire, la limite se situerait également à 173 protons : un 174 proton porterait en effet l'énergie de la couche nucléaire 1s_1/2 au-delà de 511 keV, ce qui induirait la désintégration β de ce proton par émission d'un positon et d'un neutrino électronique.

D'autres considérations plus pratiques amènent à envisager la limite physique du numéro atomique à des niveaux bien inférieurs, ne dépassant pas Z ≈ 130, juste au-delà de l'hypothétique îlot de stabilité.

En l'absence d'observation expérimentale, il est bien difficile de savoir exactement comment se rempliraient les sous-couches électroniques 5g et 6f, dont les niveaux d'énergie calculés seraient très voisins, d'autant plus que ces calculs laissent penser que ces niveaux d'énergie 5g et 6f seraient eux-mêmes fort proches des sous-couches 7d et 8p ; il s'ensuit que les électrons de tels atomes pourraient facilement passer d'une sous-couche à l'autre, de sorte que leurs propriétés chimiques pourraient ne pas pouvoir être déduites directement de leur localisation dans le tableau périodique.

Par ailleurs, des effets dus au couplage spin-orbite et à l'électrodynamique quantique, déjà sensibles pour les éléments 114 et 118 sur la période précédente, pourraient redistribuer les niveaux d'énergie électroniques, et donc modifier sensiblement la configuration électronique des éléments de la 8 période du tableau périodique, qui, s'ils pouvaient être produits en quantités suffisantes, pourraient de ce fait avoir des propriétés chimiques radicalement différentes de celles attendues.

Aucun de ces atomes n'ayant été observé à ce jour, ils ont désignés selon la dénomination systématique de l'UICPA :

A noter que les éléments de numéro atomique Z > 112 sont généralement désignés, dans la littérature scientifique, sous la forme « élément Z » : on trouvera donc plus fréquemment « élément 121 » que « unbiunium », par exemple.