Beyond the periodic table: Superheavy elements and ultradense asteroids
Au-delà du tableau périodique des éléments: éléments superlourds et astéroïdes ultradenses
par Clare Sansom, Springer
Graphique montrant les densités de tous les éléments de Z=1 à 100, avec les métaux lourds étiquetés par des triangles rouges. Le triangle rouge en haut à droite est l’osmium (Z=76), l’élément dont la densité de masse mesurée expérimentalement est la plus élevée. Crédit : LaForge et coll.
Certains astéroïdes ont mesuré des densités supérieures à celles de tous les éléments connus sur Terre. Cela suggère qu'ils sont au moins en partie composés de types inconnus de matière « ultradense » qui ne peuvent pas être étudiés par la physique conventionnelle.
Jan Rafelski et son équipe du Département de physique de l'Université d'Arizona à Tucson, aux États-Unis, suggèrent qu'il pourrait s'agir d'éléments super-lourds dont le numéro atomique (Z) est supérieur à la limite du tableau périodique actuel.
Ils ont modélisé les propriétés de ces éléments en utilisant le modèle Thomas-Fermi de structure atomique, en se concentrant particulièrement sur un « îlot de stabilité nucléaire » proposé à et autour de Z = 164 et en étendant leur méthode pour inclure des types plus exotiques de matériaux ultra-dense. Ce travail a maintenant été publié dans The European Physical Journal Plus.
Les éléments superlourds sont définis comme ceux possédant un nombre très élevé de protons (numéro atomique élevé), généralement considérés comme ceux dont Z>104. Ils peuvent être divisés en deux groupes. Ceux dont le numéro atomique est compris entre 105 et 118 ont été fabriqués expérimentalement, mais sont radioactifs et instables avec des demi-vies très courtes et ne présentent donc qu'un intérêt académique et de recherche.
Les éléments avec Z>118 n'ont pas encore été observés, mais des propriétés ont été prédites pour certains d'entre eux. En particulier, un « îlot de stabilité nucléaire » est prédit à environ Z=164. Et comme, en général, la densité des éléments a tendance à augmenter avec leur masse atomique, on peut s’attendre à ce que ces éléments super-lourds soient extrêmement denses.
L'élément stable le plus dense est l'osmium, un métal platinoïde rare (Z=76) ; sa densité de 22,59 g/cm3 est environ le double de celle du plomb. Les objets (généralement des corps astronomiques) dont la densité est supérieure à celle-ci sont considérés comme des « objets compacts ultradenses » ou CUDO.
L’exemple le plus extrême connu est l’astéroïde nommé 33 Polyhymnia, situé dans la ceinture principale entre Mars et Jupiter ; sa densité a été calculée à environ 75 g/cm3. Rafelski propose que Polyhymnia et des objets similaires puissent être composés d'éléments supérieurs à Z=118, éventuellement avec d'autres types de matière ultradense.
Rafelski et ses deux collègues étudiants, Evan LaForge et Will Price, ont entrepris de calculer la structure atomique microscopique et les propriétés des éléments ultra-lourds en utilisant le modèle relativiste de l'atome de Thomas-Fermi.
Nous avons choisi ce modèle, malgré sa relative imprécision, car il permet l'exploration systématique du comportement atomique en fonction du numéro atomique au-delà du tableau périodique connu", explique Rafelski. "Une autre considération est que cela nous a également permis d'explorer de nombreux atomes dans le peu de temps dont disposait Evan [LaForge], notre brillant étudiant de premier cycle."
Les calculs des chercheurs ont confirmé la prédiction selon laquelle les atomes ayant environ 164 protons dans leur noyau seraient probablement stables et ont en outre suggéré qu'un élément stable avec Z = 164 aurait une densité comprise entre 36,0 et 68,4 g/cm3 : une plage qui se rapproche de la valeur attendue pour l'astéroïde Polyhymnia.
Comme leur modèle utilisait la distribution de charge dans le noyau atomique comme l'une de ses entrées, il pourrait être étendu pour simuler des substances encore plus exotiques, notamment la matière alpha : un condensat entièrement composé de noyaux d'hélium isolés (particules alpha).
L’idée selon laquelle certains astéroïdes pourraient être composés de matériaux inconnus sur Terre motive également les « mineurs de l’espace » potentiels qui envisagent d’exploiter les métaux précieux, y compris l’or, qui devraient se trouver à proximité de la surface des autres.
"Tous les éléments super-lourds - ceux qui sont très instables ainsi que ceux qui sont tout simplement inobservés - ont été regroupés sous le nom d'"unobtainium"", conclut Rafelski. "L'idée que certains d'entre eux pourraient être suffisamment stables pour être obtenus à partir de notre système solaire est passionnante."
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COMMENTAIRES
J espère pouvoir contenter mes mlecteurs par ma réponse à ces deux questions !
Pourquoi est-il difficile d’étudier de nouveaux éléments super-lourds ?
Les scientifiques n’ont pas encore effectué d’expériences chimiques sur ces isotopes, soit parce que les isotopes ne durent pas assez longtemps, soit parce que les isotopes stables contenant plus de neutrons sont difficiles à fabriquer. Un isotope doit durer plus d'une seconde, dit Düllmann, pour que les scientifiques puissent sonder les propriétés d'un élément ou de ses composés
2/Quel est l’intérêt des éléments super-lourds ?
La découverte d'éléments de plus en plus lourds rapproche les chercheurs de « l'île de stabilité », qui fait référence à l'existence possible d'une région au-delà du tableau périodique actuel où de nouveaux éléments super-lourds dotés d'un nombre spécial de neutrons et de protons présenterait une augmentation...
Mais pour reveiller un peu mes lecteurs je prefère repondre à la question ;quelle est la densité des étoiles à neutrons ??? Réponse :
Une densité extraordinaire !!!!
La densité moyenne d'une étoile à neutrons est d'un million de milliards de fois celle de l'eau. Un centimètre cube de sa matière aurait une masse de 1000 millions de tonnes !!!
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More information: Evan LaForge et al, Superheavy elements and ultradense matter, The European Physical Journal Plus (2023). DOI: 10.1140/epjp/s13360-023-04454-8
Provided by Springer
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