Xénon - Définition

Propriétés

Raies spectrales du xénon, de l'ultraviolet à l'infrarouge.

Un atome de xénon est un atome dont le noyau compte 54 protons.

Dans les conditions normales de température et de pression, c'est un gaz de masse volumique 5,761 kg/m³.
À l'état liquide, sa masse volumique peut atteindre 3,100 g/cm³, le maximum étant atteint au point triple.
Dans les mêmes conditions, sa masse volumique à l'état solide est de 3,640 g/cm³.
Sous plusieurs gigapascals de pression, le xénon présente un état métallique.

Le xénon fait partie de la famille des gaz nobles. Sa couche de valence étant totalement pleine, il est inerte vis-à-vis de la plupart des réactions chimiques.

Il peut toutefois être oxydé par des oxydants très puissants, et de nombreux composés du xénon ont pu être synthétisés.

Lorsque du xénon placé dans un tube est excité par des décharges électriques, il émet une lueur bleue ou lavande. Ses raies d'émissions couvrent le domaine visible, mais les raies les plus intenses se situent dans le bleu, ce qui explique cette coloration.

Utilisations

Enseigne au Xénon

Bien que le xénon soit peu abondant et relativement cher à extraire de l'atmosphère terrestre, il intervient dans de nombreuses applications.

Optique

Lampes à décharge

Le xénon est utilisé dans des dispositifs d'émission de lumière sous forme de flash lumineux, utilisés dans les flash photographiques ou les stroboscopes. Il est également utilisé dans les lasers pour exciter le milieu amplificateur qui génère ensuite le faisceau cohérent. Le premier laser solide fabriqué en 1960 était pompé par une lampe au xénon, et les lasers utilisés pour la fusion nucléaire sont également pompés par des lampes au xénon.

Lampe à décharge de 15 kW au xénon.

Les lampes à décharge au xénon ont une température de couleur proche de celle du soleil à midi et sont utilisées pour simuler le Soleil dans des bancs solaires (la couleur de ces lampes est proche de celle d'un corps noir à une température proche de celle du Soleil). Après leur introduction dans les années 1940, ces lampes ont commencé à remplacer, dans les projecteurs de cinéma, les lampes à arc au carbone dont la durée de vie était courte. Elles sont employées de manière standard dans les systèmes de projection 35 mm ou IMAX, ainsi que pour d'autres applications spécialisées. Ces lampes à arc au xénon constituent une excellente source de rayonnement ultraviolet de courte longueur d'onde, et présentent également une grande intensité d'émission dans le proche infrarouge qui est utilisé dans certains équipements de vision nocturne.

Les lampes au xénon sont utilisées depuis peu pour les phares d'automobile. Ce sont des lampes à décharge qui donnent un éclairage puissant avec une lumière très blanche légèrement bleutée. Ce type de phares reste très onéreux, car ils nécessitent une alimentation haute tension et un système d'asservissement en azimut pour éviter l'éblouissement des conducteurs venant en sens inverse.

Les cellules dans les écrans plasma utilisent un mélange de xénon et de néon, ionisé sous forme de plasma par des électrodes. L'interaction de ce plasma et des électrodes génère un rayonnement ultraviolet, qui lui-même excite le revêtement contenant du phosphore qui constitue le côté visible du système d'affichage.

Le xénon est utilisé comme « gaz de démarrage » dans les lampes à vapeur de sodium haute pression. En effet, de tous les gaz rares non radioactifs, c'est celui qui possède la conductivité thermique et le potentiel de première ionisation les plus faibles. Étant inerte, il n'interfère pas avec les réactions chimiques qui ont lieu au cours du fonctionnement de la lampe. Sa faible conductivité thermique permet de minimiser les pertes thermiques en cours de fonctionnement, et son faible potentiel d'ionisation permet d'avoir une tension de claquage relativement basse pour le gaz à froid, ce qui permet de mettre plus facilement la lampe en fonctionnement.

Lasers

En 1962, un groupe de chercheurs des laboratoires Bell a découvert un effet laser dans le xénon, et a découvert par la suite que le gain d'amplification du laser était augmenté en ajoutant de l'hélium au milieu actif. Le premier laser à excimères utilisait un dimère (Xe₂) excité par un faisceau d'électrons, et produisait une émission stimulée dans l'ultraviolet à une longueur d'onde de 176 nm ⁽⁾. Le chlorure de xénon et le fluorure de xénon ont également été utilisés dans des lasers à excimères (ou plus précisément à exciplexes). Le laser à excimères de chlorure de xénon a été utilisé par exemple pour des applications en dermatologie. Le fluorure de xénon permet une émission à 354 nm, le chlorure de xénon à 308 nm et le bromure de xénon à 282 nm, tandis que le laser à fluorure de krypton émet à 248 nm dans le proche ultraviolet.

Médecine

Dans le domaine de la médecine, le xénon peut être utilisé en anesthésie, mais il intervient également dans des dispositifs d'imagerie médicale.

Anesthésie

Malgré son prix, le xénon peut être utilisé en anesthésie générale. Début 2008, seuls 2 hôpitaux étaient équipés en France (CHU de Nîmes et Bordeaux) pour utilisation en anesthésie générale inhalatoire. Actuellement, deux autres CHU en France l'ont également à l'essai (CHU de Clermont-Ferrand et Poitiers). Il ne semble cependant pas utilisable pour les patients fragiles sur le plan respiratoire parce qu'il n'a de propriétés anesthésiques qu'à des concentrations élevées (supérieurs à 60 %), ce qui limite à 40 % l'apport en dioxygène (insuffisant pour certains patients). C'est une méthode d'anesthésie avec peu d'effets secondaires (pas de baisse de pression artérielle, réveil et retour à la conscience plus rapide), mais ce gaz est cependant très cher, ce qui limite pour l'instant son utilisation.

Deux mécanismes ont été proposés pour expliquer son effet. Le premier met en jeu une inhibition de la Ca²⁺ ATPase dans la membrane plasmique synaptique (cette protéine permet de transporter du calcium). Cette inhibition serait due à un changement conformationnel lorsque le xénon se lie à des sites non polaires à l'intérieur de la protéine. Le second mécanisme possible met en jeu des interactions non spécifiques entre l'anesthésiant et la couche lipidique.

Le xénon possède une concentration alvéolaire minimale (MAC) de 71 %, ce qui en fait un anesthésiant 50 % plus puissant que le protoxyde d'azote. Il peut donc être utilisé avec de l'oxygène pour limiter les risques d'hypoxie. Contrairement au protoxyde d'azote, le xénon n'est pas un gaz à effet de serre et n'est pas considéré comme dangereux pour l'environnement. Cependant, du fait du coût élevé du xénon, les applications nécessiteront un système fermé de manière à ce que le xénon puisse être recyclé et réutilisé après filtration et purification.

Imagerie médicale

L'émission gamma du radioisotope 133 du xénon peut être utilisée en imagerie du cœur, des poumons ou du cerveau, au moyen de la tomographie d'émission monophotonique. Ce même isotope a également été utilisé pour mesurer le flux du sang.

Les noyaux de deux des isotopes stables du xénon, ¹²⁹Xe et ¹³¹Xe, possèdent un moment angulaire non nul (spin nucléaire). Lorsqu'ils sont mélangés à des vapeurs d'éléments alcalins ou d'azote, et soumis à un flux laser polarisé circulairement et d'une longueur d'onde correspondant à une des raies d'absorption de l'alcalin, leurs spins nucléaires peuvent être alignés par un processus d'échange au cours duquel les électrons de valence de l'alcalin sont polarisés par le flux laser et transfèrent leur polarisation aux noyaux de xénon par couplage magnétique hyperfin. Les vapeurs d'alcalin sont typiquement produites en chauffant du rubidium métal au-dessus de 100 °C. La polarisation de spin des noyaux de xénon peut excéder 50 % de sa valeur maximale possible, ce qui est largement supérieur à la valeur d'équilibre prédite par une distribution de Boltzmann (typiquement 0,001 % de la valeur maximum à température ambiante). Cet état hors-équilibre, temporaire, est appelé hyperpolarisation.

Le noyau de ¹²⁹Xe possédant un spin 1/2, et donc un moment quadrupolaire électrique nul, il ne subit pas d'interaction quadrupolaire au cours des collisions avec d'autres atomes, ce qui permet de conserver l'hyperpolarisation pendant une durée longue, même après que le laser a été coupé et les vapeurs d'alcalin éliminées par condensation sur une surface à température ambiante. Le temps nécessaire pour qu'une distribution de spins retournent à leur polarisation d'équilibre (définie par la statistique de Boltzmann) est le temps de relaxation T₁. Dans le cas du xénon 129, T₁ varie de quelques secondes pour des atomes de xénon dissous dans du sang, à quelques heures pour du xénon gazeux, et même à quelques jours pour du xénon solide. À l'inverse, ¹³¹Xe possède un spin nucléaire de 3/2 et un moment quadrupolaire non nul. Son temps de relaxation se situe dans une gamme de quelques millisecondes à quelques secondes. L'hyperpolarisation du xénon 129 le rend détectable par imagerie par résonance magnétique, et il a été utilisé pour l'étude des poumons et d'autres tissus. Il a été utilisé par exemple pour visualiser les flux gazeux dans les poumons.

Autres utilisations

Le xénon est utilisé dans des chambre à bulles, des détecteurs, et dans des domaines où sa masse moléculaire élevée et son caractère inerte le rendent intéressant.

Le xénon est utilisé sous forme liquide comme milieu de détection des WIMPs (Weakly interacting massive particles). Lorsqu'une telle particule entre en collision avec un atome de xénon, elle doit en théorie lui arracher un électron et entraîner une scintillation. L'utilisation du xénon devrait permettre de distinguer cette interaction d'autres événements similaires causés par des particules comme les rayons cosmiques. Cependant, l'expérience XENON menée au Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italie n'a pas permis à l'heure actuelle de confirmer l'existence d'une WIMP. Même si aucune WIMP n'est détectée, cette expérience doit contribuer à faire progresser la connaissance de la matière noire ainsi que d'autres modèle de physique. Le détecteur actuellement utilisé pour cette expérience est cinq fois plus sensible que n'importe quel autre instrument dans le monde, et sa sensibilité doit encore être améliorée d'un ordre de grandeur au cours de l'année 2008 ⁽⁾.

Prototype d'un moteur ionique au xénon.

Le xénon est le carburant le plus couramment utilisé pour la propulsion ionique des engins spatiaux du fait de sa faible énergie d'ionisation par unité de masse atomique, et de la possibilité de le stocker sous forme liquide à des températures proches de la température ambiante (sous haute pression) et de le ramener facilement à l'état gazeux pour alimenter le moteur. Le caractère inerte du xénon le rend moins polluant et moins corrosif pour les moteurs ioniques que d'autres carburants comme le mercure ou le césium. Le xénon a été d'abord utilisé pour les moteurs ioniques des satellites dans les années 1970 ⁽⁾. Il a été ensuite employé comme propulseur pour le véhicule spatial européen Smart 1 et comme combustible des trois moteurs ioniques de la sonde américaine Dawn.

En chimie analytique, les perxénates sont utilisés comme oxydants. Le difluorure de xénon est utilisé pour attaquer le silicium, en particulier dans la production de MEMS (Microsystème électromécanique). Le Fluorouracil, médicament anticancéreux, peut être obtenu par réaction du difluorure de xénon avec l'uracile. Le xénon est également utilisé en diffraction pour résoudre la structure des protéines. Sous une pression de 0,5 à 5 MPa, le xénon se lie préférentiellement aux cavités hydrophobes des protéines, et peut être utilisé pour retrouver la phase par une méthode de dérivation aux atomes lourds.