1. Les éléments superlourds
Leçon publique présentée en vue de l’obtention du grade
d’Agrégée de l’Enseignement Supérieur
par
Carmen Angulo Pérez
Docteur en physique
Salle du Sénat académique 1 septembre 2006
Où est la limite de la stabilité nucléaire?

2. Radioéléments ‘‘artificiels’’
Métaux
Non-métaux
Propriétés chimiques inconnues
Lavoisier (XVIII siècle)
Mendeleev (XIX siècle)

3. noyau stable
noyau instable
Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
La carte des noyaux
SHE
SHE = ‘’Super Heavy Element’’

4. Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les modèles théoriques:
L’énergie de liaison et les limites de la stabilité
Les nombres magiques
La fission spontanée
Les éléments superlourds
Motivation
Un peu d’histoire
Techniques expérimentales
Exemple: la synthèse de l’élément 115
Situation actuelle et perspectives
Conclusions

5. Les composants de la matière
Matière organique et inorganique
Atome
Noyau
(Nucléons)
Quarks et
Gluons10-10 m
10-14 m
10-15 m
< 10-18 m
Protons (Z) et
Neutrons (N)
En principe, une telle structure atomique est valable pour des atomes très lourds
avec Z~170 et au-delà, mais l’instabilité du noyau impose des limites à l’existence
des éléments.
Physique nucléaire

6. Les forces fondamentales
1. Interaction faible Intensité relative
Responsable des désintégrations
Produit des leptons, portée finie (~10-18 m) 10-14
2. Interaction électromagnétique 10-2
Électricité, magnétisme
Interaction entre 2 corps chargés, attractive ou répulsive, portée infinie
3. Interaction nucléaire forte 1
Responsable de la cohésion du noyau atomique
Interaction entre 2 quarks, attractive, portée finie (~10-15 m)
Physique nucléaire vs. physique atomique
Force nucléaire: mal connue
Force électromagnétique: connue

7. La radioactivité
Noyaux stables: ils ne changent pas.
Noyaux radioactifs (la plupart): ils se
transforment spontanément en un autre
noyau, en émettant des particules.
La chaîne de décroissance s’arrête seulement
si le dernier noyau est stable.
La demi-vie, T1/2 , est le temps après lequel
la moitié des noyaux se sont transformés.
Il varie de la fraction de seconde à plusieurs
milliards d’années.
Exemple:
238U (8 x , 6 x ) 206Pb.

8. Les modes de décroissance
On va se servir de ces propriétés pour détecter et identifier de (nouveaux) éléments radioactifs:
- recherche - médecine
- radioprotection - radiobiologie …
(avec émission de rayons X)

9. noyau stable
décroissance +, EC
décroissance -
décroissance
fission
Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
La carte des noyaux
Étude de la ‘Terra Incognita’:
1. Pour définir les composantes de la force nucléaire.
2. Pour comprendre les raisons de la cohésion des noyaux et de ses limites.
SHE
SHE = ‘’Super Heavy Element’’

10. Les isotopes
Les isotopes sont des éléments avec le même nombre de
protons (Z), mais avec une masse atomique (A) différente
à cause d’un nombre de neutrons différent (N).
N
Z
isotopes
A
Z N
…
Riches en neutrons‘‘Riches’’ en protons
Stables Radioactifs -
Radioactifs +
Exemple, les isotopes de l’oxygène connus: 3 stables, 10 radioactifs
Les propriétés nucléaires peuvent évoluer rapidement le long d’une chaîne d’isotopes.
Des noyaux de nombre atomique (A) différent peuvent présenter des propriétés similaires.
Isotopes connus: 500 (1940), … 3000 (2006).

11. Les éléments superlourds
1 p
Hydrogène
8 p + 8 n
Oxygène
109 p + 153 n
Meitnerium
…
N
Z SHE
L’atome d’un élément superlourds est composé d’un noyau
avec un nombre de protons (Z) et de neutrons (N) très
élevés, il a donc une masse nucléaire (A) très grande.
?

12. Comment un noyau contenant un nombre de protons très élevé peut survivre à la répulsion
électrostatique entre ces protons?
Et comment les électrons atomiques sont organisés dans leur champ électrique intense?
Quelles sont les propriétés physiques et chimiques des superlourds?
Quelle est la limite aux nombres de neutrons et de protons? Existe-il une limite?
Existe-t-il des élément superlourds avec un temps de vie très long?
Existent-ils dans la Nature? Si, oui, comment ont-ils été créés?
….
Questions ouvertes
Les forces à l’intérieur des noyaux:
interaction coulombienne tend à éloigner les protons
interaction nucléaire tend à lier le noyau
L’existence des éléments superlourds est un problème scientifique essentiel et un
défi pour la physique nucléaire.

13. Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les modèles théoriques:
L’énergie de liaison et les limites de la stabilité
Les nombres magiques
La fission spontanée
Les éléments superlourds
Motivation
Un peu d’histoire
Techniques expérimentales
Exemple: la synthèse de l’élément 115
Situation actuelle et perspectives
Conclusions
Bibliographie

14. 14
12
EB/A(MeVparnucléon)
Masse atomique A
L’énergie de liaison
Des évidences expérimentales montrent que la force nucléaire présente une saturation.
La preuve la plus claire est donnée par l’énergie de liaison par nucléon:
Terme de surface
Terme coulombien
Terme de volume
56Fe
2H
7Li
235U
Modèle de la goutte liquide
(von Weizsäcker, 1935)
Noyau = fluide chargé incompressible
et sans structure (sphérique).
effet de parité: un noyau
pair-pair est plus stable

15. Les limites de la stabilité
À partir de ceci, on définit les énergies de séparation:
décroissance spontanée
protons:
neutrons:
alpha:
Limitent les lignes de cohésion ou ‘‘driplines’’:
liées à l’instabilité en particule associée à une
durée de vie de l’ordre de 10-21 s ( ~ 0.6 MeV).

16. Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
Sn = 0
Sp = 0
Sp = 0
EF = 4 MeV
EF = 4 MeV
La carte des noyaux
La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé.

17. La fission spontanée
L. Meitner et O. Frisch, N. Bohr et J. Wheeler (1939): théorie
Paramètre de fissibilité : Plus il augmente, plus le noyau est instable.
Disparition de la barrière de fission
Il ne devrait pas exister…
Exemples:
G. Flerov et K. Petrjzak (1940): expérience
Répulsion coulombienne
Tension de surface
Probabilité de traverser la barrière:Barrière de fission
V(r)
déformation
0
Demi-vie de fission:

18. La disposition des nucléons
Le noyau est un système quantique: les nucléons ne sont pas disposés de manière arbitraire, ils
occupent des couches successives d’états suivant le principe de Pauli.
Nombre de neutrons
Ex(1)enMeV
8
20
28
50 82
126
Énergie d’excitation des
premiers états dans des
noyaux pair-pair
Des évidences expérimentales:
Modèle en couche
(M. Goeppert-Mayer et H. Jensen, 1955)
Chaque nucléon est soumis à une
interaction due aux autres nucléons.
Fermeture de couche:
L’intervalle d’énergie pour
atteindre la couche suivante
est plus grand.
Le noyau correspondant à
cette fermeture de couche
est plus stable:
les nombres magiques
des noyaux très stables
On résout l’équation d’Schrödinger pour un potentiel du type
oscillateur harmonique.
On remplit les couches
(états) suivant le principe
de Pauli.
2
8
20
50
28

19. L’îlot de stabilité
Les nombres correspondants aux fermetures de couche sont spécialement favorables en termes
de stabilité nucléaire:
Les nombres magiques: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Le nombre magique suivant est 184 …
J. Wheeler (1956) prédit un îlot de stabilité
sphérique autour du noyau Z = 114, N = 184
Des calculs récents prédisent l’îlot de stabilité
autour de Z = 120 – 126, N = 172 – 184.
N
Z
184162
114
108
Îlot de stabilité
des superlourds
Transuraniens

20. Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
Sn = 0
Sp = 0
Sp = 0
EF = 4 MeV
EF = 4 MeV
La carte des noyaux
La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé.
28
50
82
50
82
184
126
126

21. Les effets de couche et la fission
Le modèle de la goutte liquide n’explique pas des évidences expérimentales:
Le noyaux non sphériques
L’asymétrie dans la fission
L’existence des isomères de fission
….
oblate
prolate
Des prédictions essentielles pour l’existence des
éléments superlourds:
Guide pour les expérimentateurs
V. Strutinsky (1967) introduit la déformation dans le modèle de la goutte liquide
en ajoutant les effets de couche:
Estimations plus réalistes des barrières de fission
Calculs des temps de vie de fission: drastiquement augmentés pour certains noyaux
Des modèles plus récentes:
Champ moyen (Nilsson)
Champ moyen auto-consistent (Hartree-Fock-Bogoliubov)
Champ moyen relativiste

22. Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les modèles théoriques:
L’énergie de liaison et les limites de la stabilité
Les nombres magiques
La fission spontanée
Les éléments superlourds
Motivation
Un peu d’histoire
Techniques expérimentales
Exemple: la synthèse de l’élément 115
Situation actuelle et perspectives
Conclusions
Bibliographie

23. Motivation
Pourquoi synthétiser des éléments de plus en plus lourds ?
Pour explorer les limites de la stabilité: quel est le prochain nombre magique?
Pour étudier:
Leur structure (énergies d’excitations autour des nombres magiques)
Leurs propriétés de décroissance (énergie des alpha, barrières de fission).
Pour comprendre:
Le processus de formation (sections efficaces, influence de leur structure)
Un peu d’histoire…

24. Le XXeme siècle: un siècle de découvertes
1896 – 1940: Période de la radioactivité
la radioactivité, le noyau atomique, le neutron, la synthèse de nouveaux
éléments radioactifs, la radioactivité artificielle, la fission induite
H. Becquerel, P. et M. Curie F. et I. Joliot-Curie
E. Rutherford, J. Chadwick L. Meitner, O. Hahn et F. Strassman
Transuraniens
Noyaux très lourds
Noyaux superlourds
1940 – 1952: Période des neutrons
le groupe de Berkeley, le Projet Manhattan, les
bombes nucléaires (Pu, H…)
1952 – 1974: Période de la fusion chaude
les éléments sont produits avec une grande énergie
d’excitation émission de neutrons ou fission.
1974 – 1999: Période de la fusion froide
énergie d’excitation plus basse, probabilité de fission
faible, mais répulsion coulombienne plus grande.
À chaque période: une technique de production

25. La période de la fusion chaude
(1952 – 1974): nouveaux faisceaux, réactions de fusion entre noyaux lourds et
projectiles ‘‘légers’’
1974
1955
Mendélévium (Z = 101)
1958
Nobélium (Z = 102)
Lawrencium (Z = 103)
1964
Rutherfordium (Z = 104)
1970
Dubnium (Z = 105)
1974
Seaborgium (Z = 106)
Glenn Seaborg pointe
l’élément portant son nom
(beaucoup de controverse
à propos des noms des
nouveaux éléments!)
Seaborg et Ghiorso Flerov et Oganessian
Fusion ‘‘chaude’’:
fusion suivie d’évaporation, les éléments sont produits avec une grande énergie
d’excitation, conduisant à l’émission de plusieurs neutrons ou à la fission.
Cibles lourdes (U, Pu, Am, Cf ..) – des actinides
Projectiles (B, C, O, N, Ne…)
LBL Berkeley
JINR Dubna
1955 La Guerre froide
USA vs. Russie: grande avancée dans la physique des ions lourds
Élément produit:
Contient assez de n, des chaînes de décroissance courtes
et inconnues, terminant sur des noyaux fissiles

26. Fusion ‘‘froide’’:
éléments produits avec une énergie d’excitation plus basse, probabilité de
désintégration par fission faible, mais répulsion coulombienne plus grande.
Cibles (Pb, Bi ..)
Projectiles lourds (Cr, Fe,…)
La période de la fusion froide
(1975 – 1999): cibles plus ‘légères’, des collaborations internationales, des nouvelles
techniques…
1975
1981
Bohrium (Z = 107)
1982
Meitnerium (Z = 109) 1994
Darmstadtium (Z = 110)
Roentgenium (Z = 111)
1996
Élément 112
1999
Élément 114
Élément 116
1981-1984 1994-1996
1984
Hassium (Z = 108)
2004
Élément 113
2005
Élément 115
1999 - …
UNILAC SHIP
Separator for
Heavy Ion Products
Limitations de la fusion froide:
Section efficace de fusion basse
Nombre de neutrons limités
On reprend la fusion chaude
avec un faisceau de 48Ca
à Dubna (Z = 114, 115, 116, …)
Mais également à RIKEN (Z = 113),
GANIL, Berkeley…
Darmstadt
1999
Élément 118
Élément produit:
Moins de n, des longues chaînes terminant dans des noyaux stables

27. La carte des noyaux en 2006
111
112
113
114
117
115
118
116
160 162
164 166 168 170 172 174
176 178 180 182 184
152 158156154
Mt 266
Db 262 Db 263
Sg 266
Db 258Db 256 Db 260Db 257
Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263Rf 259Rf 256Rf 255 Rf 258
Bh 261 Bh 262
Rf 257
Db 261
Sg 260 Sg 261 Sg 263Sg 259
Bh 264
Bh
Hs
Ds
Sg 258
Lr 259
No 258
Lr 260
No 259
Lr 261 Lr 262
No 262No 260
Lr 258
No 257
Lr 255
No 254
Lr 254
No 253
Lr 257
No 256
Lr 256
No 255
Md 257
Fm 256
Md 258
Fm 257
Md 259 Md 260
Fm 258 Fm 259
Md 256
Fm 255
Md 253
Fm 252
Md 252
Fm 251
Md 255
Fm 254
Md 254
Fm 253
Es 255 Es 256Es 254Es 251Es 250 Es 253Es 252
Cf 255 Cf 256Cf 253Cf 250Cf 249 Cf 251 Cf 252 Cf 254
110/273110/271
111/272
No
Md
Fm
Es
Cf
proton number
150
Db
Rf
Lr
No
Md
Fm
Es
Cf
Z = 114
1
Hs 267Hs 265Hs 264
a
a
a
110/270
Hs 266
Sg 262
110/269
Mt 268
112/277
110/267
Mt
Hs 269 Hs 270
Sg 265
Sg
Nombredeprotons
aa
108/2 75
110/279
106/271
112/284112/282
114/286 114/287
10.01
114/288
9.95
116/290
115/288115/28 7
113/284113/283
111/280
109/276
107/272
111/279
109/257
116/291
10.85 10.74
112/285
110/281
114/289
9.82
9.169.54
9.30
8.53
10.00
10.4610.59
10.12
9.75
9.71
9.02
10.37
10.33
105/268
15 ms
32 ms 87 ms
6.3 ms
0.1 s
0.15 s
0.17 s
0.72 s
9.8 s
16 h
9.7 ms
0.48 s
0.1 s0.5 ms
3.6 s
0.18 s
2.4 min
9.6 s
34 s
0.56 s 0.63 s 2.7 s0.16 s
10.20
112/283
4.0 s
116/292
10.66
16 ms
107/217
116/293
53 ms
1.8 ms
118/294
11.65
105/267
1.2 h
10.53
9.70
104/268104/267
2.3 h
N=184
FUSION FROIDE:
Cibles: Pb, Bi
Faisceau: Cr, Fe…
FUSION CHAUDE
Cibles: U, Pu, Cf, Am
(radioactives, riches en neutrons)
Faisceau: 48Ca
(stable!, excès de 8 neutrons, très cher)
Nombre de neutrons
Îlot de
stabilité des
superlourds

28. Sections efficaces et barrières de fission
Nombre atomique Z
Sectionefficace(nbarn)
fusion froide
fusion chaude
fusion chaude
avec 48Ca
Avec des sections efficaces de l’ordre du picobarn, avec les
intensités des faisceaux et les efficacités de détection actuelles
1 événement en 1- 2 semaines d’expérience
Les réactions de fusion avec 48Ca
produisent des éléments avec des
barrières de fission plus élevées
noyaux décroissent par alpha

29. Le séparateur à Dubna
‘‘Dubna Gas Filled Recoil Separator’’

30. Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les modèles théoriques:
L’énergie de liaison et les limites de la stabilité
Les nombres magiques
La fission spontanée
Les éléments superlourds
Motivation
Un peu d’histoire
Techniques expérimentales
Exemple: la synthèse de l’élément 115
Situation actuelle et perspectives
Conclusions
Bibliographie

31. La synthèse de l’élément 115
Fusion: Surmonter la barrière coulombienne ~
236 MeV Faisceau à 248 MeV
L’élément 115 est produit à une énergie
d’excitation de 40 MeV
Désexcitation
par émission de 3 neutrons et des gamma
Ex= 40 eV
Ex= 0
neutron
neutron
gamma
neutron
Durée de l’expérience: 1 mois
Consommation de 48Ca: 0.5 mg/heure
Yu. Ts. Oganessian et al., Phys. Rev. C69, 021601 (2004); Phys. Rev. C72, 034611 (2005).

32. La synthèse de l’élément 115
fission
10.46 MeV
9.75 MeV
9.71 MeV
125 ms
0.69 s
5.2 s
14.14 s
1.03 s
115
113
111
Mt
Bh
288
284
280
276
272
5
4
3
2
1
9.02 MeV
0.
Db
268
10.00 MeV
Technique de la
corrélation génétique
Isolation
chimique
(Ta, Nb)
Demi-vie
T1/2 ~ 30
heures
Détection et identification
(temps, énergies)
des cinq alpha
Signatures de la fission spontanée du 268Db (Z=105)
Décroissance alpha + fission

33. Que nous a appris l’expérience?
Synthèse:
Plus le noyau est lourd, plus de neutrons il contient, et plus il est difficile à
synthétiser
Nombre limité des candidats cible et faisceau
Les section efficaces de fusion augmentent avec:
La différence des masses (A) des noyaux qui fusionnent
La fermeture de couche
Détection:
Plus le noyau est lourd, plus il est difficile à détecter:
La principale méthode d’identification: alpha + fission spontanée (corrélation génétique)
Utilisation de séparateurs + système de détections sophistiqués

34. Présent et futur des superlourds
De nouvelles idées:
Utiliser des projectiles plus lourds: barrières de Coulomb plus élevées mais énergies d’excitations
plus basses plus haute probabilité de survivre
JINR, Dubna
(DGFRS, Vassilisa)
RIKEN, Tokyo
(GARIS)
JAERI, Tokai
(RMS)
GSI, Darmstadt
(SHIP)
GANIL, Caen
(LISE3)
JYFL, Jyväskylä
(RITU)
LBL, Berkeley
(BGFS)
ANL, Argonne
(FMA)
Synthèse
Spectroscopie

35. Conclusions
Depuis 25 ans, on produit des éléments superlourds (Z = 107- 116) par différents méthodes en
utilisant des accélérateurs et on étudie leurs propriétés (spectroscopie).
Actuellement: Z = 118 (2 événements!).
Ils restent un défi pour la physique nucléaire et la radiochimie et un sujet d’actualité:
programmes de recherche des nouvelles installations à court et à long terme.
Les noyaux dans l’îlot de stabilité sont en principe isolés:
Pas de chaînes de décroissance alpha.
Des nouvelles idées et techniques d’identification (techniques chimiques, de spectrométrie
de masse, spectroscopie laser, …)
Physiciens: tests d’une valeur inestimable des modèles théoriques.
Chimistes: prédictions des propriétés des éléments jusqu’ici inconnus.
Répondre à de multiples questions sur les propriétés et les limites de la matière nucléaire

36. Nombre de neutrons
Nombredeprotons
Le physicien est un explorateur naviguant vers l’îlot de la stabilité