Voir la source de Superactinide

{{Éléments/Superactinides}}
La [[Famille d'éléments chimiques|famille]] des '''superactinides''' contiendrait les [[Élément chimique|éléments chimiques]] hypothétiques de [[numéro atomique]] 121 à 153. L'existence de cette famille avait été conjecturée par [[Glenn Seaborg]], lauréat du [[Prix Nobel de chimie]] 1951<ref>{{lien brisé|consulté le=2013-04-08|url=http://acs.lbl.gov/Seaborg.talks/65th-anniv/29.html|titre=Seaborg Talks — 65th Anniversary}} planche {{n°|29}} : « Evolution of the Periodic Table ».</ref>. Elle n'est pas reconnue par l'[[UICPA]], dont le tableau périodique de référence s'arrête à l'[[Oganesson|élément&nbsp;118]]<ref>https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/ Tableau périodique officiel de l'UICPA] en date du 28 novembre 2016.</ref>.

== Propriétés chimiques ==

Ces éléments, qui n'ont jamais été observés et dont l'existence demeure conjecturale, seraient caractérisés par le remplissage simultané des [[Couche électronique|couches électroniques]] 7d<sub>3/2</sub>, 8p<sub>1/2</sub>, 6f<sub>5/2</sub> et 5g<sub>7/2</sub><ref name="10.1007/BFb0116498">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Burkhard Fricke
 | titre       = Superheavy elements a prediction of their chemical and physical properties
 | périodique  = Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry
 | volume      = 21
 | numéro      = 
 | jour        = 3
 | mois        = décembre
 | année       = 2007
 | pages       = 89-144
 | url texte   = https://link.springer.com/chapter/10.1007%2FBFb0116498
 | consulté le = 12 décembre 2016
 | doi         = 10.1007/BFb0116498
 | pmid        = 
 | pmc         = 
}}</ref>, ce qui rend leurs propriétés chimiques très difficiles à modéliser ; des calculs complets n'ont ainsi été menés que pour les deux premiers d'entre eux, les éléments 121 et 122<ref name="10.1007/978-94-007-0211-0_14">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Darleane C. Hoffman, Diana M. Lee et Valeria Pershina
 | titre       = Transactinide Elements and Future Elements
 | périodique  = The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements
 | volume      = 
 | numéro      = 
 | jour        = 
 | mois        = 
 | année       = 2011
 | pages       = 1652-1752
 | url texte   = https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F1-4020-3598-5_14
 | consulté le = 12 décembre 2016
 | doi         = 10.1007/978-94-007-0211-0_14
 | isbn        = 978-94-007-0210-3
 | bibcode     = 2011tcot.book.1652H
}}</ref>. L'[[Unbiunium|élément 121]] serait ainsi semblable au [[lanthane]] et à l'[[actinium]]<ref name="10.1063/1.1672054">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = J. T. Waber, D. T. Cromer et D. Liberman
 | titre       = SCF Dirac-Slater Calculations of the Translawrencium Elements
 | périodique  = Journal of Chemical Physics
 | volume      = 51
 | numéro      = 2
 | jour        = 
 | mois        = juillet
 | année       = 1969
 | pages       = 664-668
 | url texte   = http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/51/2/10.1063/1.1672054
 | consulté le = 12 décembre 2016
 | doi         = 10.1063/1.1672054
 | bibcode     = 1969JChPh..51..664W
 | pmc         = 
}}</ref> : son [[état d'oxydation]] principal devrait être +3, bien que la proximité des sous-couches électroniques laisse entrevoir la possibilité d'états d'oxydation plus élevés, comme pour les éléments [[Ununennium|119]] et [[Unbinilium|120]]. Son [[énergie de première ionisation]] est calculée à {{unité/2|429.4|kJ||mol|-1}}, ce qui serait inférieur à celle de tous les autres éléments connus hormis certains [[Métal alcalin|métaux alcalins]] (mais pas l'[[Ununennium|élément 119]], de {{unité/2|463.1|kJ||mol|-1}}). L'[[Unbibium|élément 122]] serait de la même façon semblable au [[cérium]] et au [[thorium]], avec un état d'oxydation principal +4. À la différence du thorium, dont la [[configuration électronique]] à l'[[état fondamental]] est 6d<sup>2</sup>7s<sup>2</sup>, celle de l'élément 122 est 7d<sup>1</sup>8s<sup>2</sup>8p<sup>1</sup>, de sorte que son énergie de première ionisation serait inférieure à celle du thorium ({{unité/2|5.6|eV}} contre {{unité/2|6.54|eV}}) en raison de la plus grande labilité de l'électron en 8p<sub>1/2</sub> de l'élément 122.

L'[[énergie de liaison]] des [[Électron de valence|électrons de valence]] est si faible dans les premiers superactinides qu'ils pourraient facilement tous les perdre. L'[[Unbihexium|élément 126]] pourrait ainsi facilement atteindre l'état d'oxydation +8, et des états d'oxydation encore plus élevés pour les éléments suivants seraient également envisageables. On a calculé que l'élément 126 pourrait présenter un grand nombre d'autres états d'oxydation : du fluorure d'unbihexium UbhF pourrait ainsi être un [[composé chimique]] stable en établissant une [[orbitale moléculaire]] entre l'[[orbitale atomique]] 5g de l'élément 122 et l'orbitale atomique 2p du [[fluor]].

== Stabilité des noyaux superlourds ==

=== Nombres magiques et îlot de stabilité ===

{{Article principal|nombre magique (physique)|îlot de stabilité}}

Le [[modèle en couches]] décrivant la [[structure nucléaire]] implique l'existence de « [[Nombre magique (physique)|nombres magiques]] » par type de [[nucléon]]s en raison d'une stratification des [[neutron]]s et des [[proton]]s en niveaux d'énergie [[quantique]]s dans le [[Noyau atomique|noyau]], à l'instar de ce qui se passe pour les [[électron]]s 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]] <sub>43</sub>Tc ne possède aucun [[isotope stable]]. Les noyaux « [[Nombre magique (physique)|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|unbihexium 310]], doublement magique avec 126 protons et 184 neutrons.

C'est ainsi que les premiers termes de la [[Famille d'éléments chimiques|famille]] des superactinides, et notamment la première moitié des [[éléments du bloc g]] (jusqu'à [[Numéro atomique|Z]]&nbsp;≈&nbsp;130), pourraient avoir des [[isotope]]s sensiblement plus stables que les autres nucléides superlourds, avec des [[Période radioactive|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 [[méson]]s ω<ref>
{{article|langue=en
 |journal=Phys. Rev. C
 |volume=71
 |pages=054310
 |année=2005
 |titre='''α-decay properties of superheavy elements Z=113-125 in the relativistic mean-field theory with vector self-coupling of ω meson'''
 |auteur=G. Münzenberg, M. M. Sharma, A. R. Farhan
 |mois=mai
 |jour=19
 |url=http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRVCAN000071000005054310000001&idtype=cvips&gifs=yes
 |doi=10.1103/PhysRevC.71.054310}}
</ref>, l'un des neuf mésons dits « ''sans [[saveur (physique)|saveur]]'' ».

Les contours exacts de cet îlot de stabilité ne sont toutefois pas clairement établis, car les nombres magiques des noyaux superlourds semblent plus difficiles à préciser que pour les noyaux légers<ref>
{{article|langue=en
 | auteur=Robert V. F. Janssens
 | titre='''Nuclear physics: Elusive magic numbers'''
 | journal=Nature
 | année=2005 | volume=435 | numéro= | pages=897-898(2)
 | url=http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7044/full/435897a.html
 | consulté le=28/06/2009
 | doi=10.1038/435897a}}
</ref>, 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{{2}}&nbsp;/&nbsp;A&nbsp;≥&nbsp;45, ce qui est précisément le cas de l'[[Unbihexium|unbihexium-310]] (puisque 126{{2}}&nbsp;/&nbsp;310&nbsp;≈&nbsp;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&nbsp;≈&nbsp;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 1''s'' serait supérieure à la [[célérité de la lumière]] pour Z&nbsp;>&nbsp;137 :

::<math>v =\alpha\,Z\,c\approx\frac{Z}{137,036}\,c</math>

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

::<math>E=m_e c^2\sqrt{1-\alpha^2 Z^2}</math>

::où ''m<sub>e</sub>'' 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&nbsp;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&nbsp;=&nbsp;150, et au-delà, pour lesquels l'énergie des électrons représenterait deux à trois fois leur masse au repos, qui est de 511 [[Kilo|k]][[Électron-volt|eV]]) s'ils devaient effectivement exister<ref>Les électrons relativistes de tels atomes pourraient notamment générer des paires électron-positron plutôt que des photons en changeant de niveaux d'énergie.</ref>.

Si l'on tient compte des effets relativistes dans la structure du cortège électronique de tels atomes, la limite semble se situer vers Z&nbsp;≈&nbsp;173&nbsp;électrons plutôt que 137<ref>
{{article|langue=en
 | auteur=Walter Greiner, Stefan Schramm
 | titre='''Resource Letter QEDV-1: The QED vacuum'''
 | journal=American Journal of Physics
 | année=2008 | volume=76 | numéro=6 | pages=509-518(10)
 | url=https://dx.doi.org/10.1119/1.2820395
 | consulté le=26/06/2009
 | doi=10.1119/1.2820395}} avec notamment toute une liste de références à consulter sur le sujet.
</ref> tandis que le même raisonnement appliqué aux noyaux aboutit à une limite vers Z&nbsp;≈&nbsp;210&nbsp;protons. Du point de vue des niveaux d'énergie nucléaire, la limite se situerait également à 173 protons : un {{174e|proton}} porterait en effet l'énergie de la couche nucléaire 1s<sub>1/2</sub> au-delà de 511 [[Kilo|k]][[Électron-volt|eV]], ce qui induirait la [[émission de positron|désintégration β<sup>+</sup>]] de ce proton par émission d'un [[positron]] et d'un [[Neutrino|neutrino électronique]]<ref>[http://irfu.cea.fr/Sphn/Phocea/file.php?class=cours&file=/christophe.theisen/Spectroscopy_of_very_heavy_elements_I.pdf CEA Saclay – Spectroscopy of very heavy elements] Slide #16 – Limit of stability: positron emission.</ref>.

D'autres considérations plus pratiques amènent à envisager la limite physique du [[numéro atomique]] à des niveaux bien inférieurs, ne dépassant pas Z&nbsp;≈&nbsp;130, juste au-delà de l'hypothétique [[îlot de stabilité]]<ref name="EB">
[http://www.britannica.com/EBchecked/topic/603220/transuranium-element Encyclopaedia Britannica] : article « ''Transuranium Element'' », dont la brève section « ''End of Periodic Table'' » en fin d'article situe entre 170 et 210 le nombre limite de protons pouvant être contenus dans un même noyau ; la section « ''Superactinoid Series'' » évoque l'impossibilité de prévoir les propriétés chimiques des superactinides en raison de la confusion des niveaux d'énergie des sous-couches 5g et 6f, ainsi que 7d et 8p.
</ref>{{,}}<ref>
{{article|langue=en
 | auteur=S. Cwiok, P.-H. Heenen, W. Nazarewicz
 | titre='''Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei'''
 | journal=Nature
 | année=2004 | volume=433 | numéro= | pages=705-709(5)
 | url=http://www.nature.com/nature/journal/v433/n7027/full/nature03336.html
 | consulté le=26/06/2009
 | doi=10.1038/nature03336}}
</ref>.

== Notes et références ==

{{Références|taille=30}}

== Articles liés ==

* [[Période 8 du tableau périodique|Éléments de la période 8]]
* [[Transuranien]]s
* [[Transactinide]]s
* [[Îlot de stabilité]]
* [[nombre magique (physique)]]

{{Tableau périodique (navigation)}}
{{Familles d'éléments chimiques (navigation)}}
{{Portail|physique|chimie}}

[[Catégorie:Superactinide]]
[[Catégorie:Physique nucléaire]]