Classer les atomes suivant leurs propriétés chimiques est aujourd'hui enseigné en secondaire. La méthode, introduite par Mendeleïev au XIXe siècle, consiste à classer les atomes par masse croissante. Ce classement comportait à l'origine un certain nombre de cases vides, liées à des éléments qui n'avaient pas encore pu être isolés chimiquement ou à des éléments très instables qui n'existent pas à l'état naturel sur terre. Cette instabilité n'est pas liée aux électrons mais aux propriétés du cœur nucléaire autour duquel ils gravitent. Le centre d'un atome est de dimension très réduite (environ 100.000 fois plus petit que l'atome lui-même) bien que quasiment toute la masse s'y trouve concentrée.

Il n'existe pas d'équivalent du tableau de Mendeleïev pour les noyaux. La situation est en effet beaucoup plus complexe : les propriétés et la stabilité du noyau atomique dépendent à la fois du nombre de protons et du nombre de neutrons qui le composent. Deux interactions fondamentales interviennent pour déterminer cette stabilité : l'interaction forte, qui agit entre toutes les particules du noyau et l'interaction coulombienne, répulsive, entre les protons. Environ 300 noyaux sont stables, tandis qu'un nombre estimé à environ 8000 devraient exister avec des durées de vie variant de la fraction de seconde à des milliards d'années. Ces noyaux instables se désintègrent par radioactivité en noyaux plus stables. Un grand nombre d'entre eux sont créés lors de processus violents d'explosion d'étoiles. Les noyaux stables (carré noir), connus (zone jaune) ou supposés exister (zone verte) sont indiqués sur la figure ci-contre.

Plus lourds que l'uranium ?

Le noyau le plus lourd présent sur Terre est l'Uranium 238, instable mais dont la durée de vie est de 4,5 milliards d'années, de l'ordre de l'âge de la Terre. Dès la naissance de la physique nucléaire, dans les années 1930, les physiciens se sont posé la question de savoir si des noyaux plus lourds que cet uranium existaient. Au cours des années, des noyaux de plus en plus lourds ont ainsi été créés en laboratoire, principalement à Berkeley aux États-Unis, à Dubna en Russie, à Riken au Japon et au laboratoire allemand GSI. C'est dans ce dernier laboratoire qu'au milieu des années 90 avaient été obtenus quelques évènements correspondant à la synthèse d'un noyau à 112 protons (20 de plus que l'uranium), d'une durée de vie de quelques fractions de secondes. Dans les dix dernières années, le laboratoire de Dubna a effectué une percée spectaculaire en rapportant des résultats expérimentaux (non encore confirmés) correspondant probablement à des noyaux possédant jusqu'à 118 protons.

Les physiciens se posent de nombreuses questions concernant ces noyaux très particuliers. Existe-t-il une limite au nombre de protons qu'un noyau peut supporter, en résistant à la répulsion coulombienne entre ces particules chargées ? Comment ces noyaux se placent-ils dans le tableau de Mendeleïev et leurs propriétés chimiques sont-elles très différentes de celles des noyaux à moins d'électrons ? Ces noyaux fascinent aussi les physiciens parce qu'ils ne semblent pas pouvoir être synthétisés lors de la nucléosynthèse qui se produit dans les étoiles.

Prédire la stabilité de ces noyaux de masses extrêmes est aussi un but à long terme des physiciens. Dans un article publié récemment dans la revue Nature, nous avons montré, mes collègues S. Cwiok de Varsovie, W. Nazarewicz du laboratoire américain d'Oak Ridge et moi-même, comment les neutrons et protons se distribuent pour former des noyaux de la forme d'un ellipsoïde allongé ou aplati suivant le nombre de particules, avec une variation de forme extrêmement rapide en fonction du nombre de particules. Ces variations de forme ont une influence cruciale sur la stabilité et la durée de vie des noyaux super-lourds.

Nombres magiques

Grâce à une modélisation théorique à la limite des possibilités numériques actuelles, nous avons montré qu'une très grande différence de formes pouvait exister entre un noyau parent qui se désintègre par émission d'une particule alpha et son noyau fille, différence qui peut défavoriser la désintégration vers le noyau fille et affecter fortement la durée de vie : un réarrangement de forme d'ellipsoïde aplati à allongé prend un temps considérable.

Les physiciens pensent que les noyaux de masses extrêmes devraient atteindre pour certaines combinaisons des nombres de neutrons et de protons une stabilité particulière, semblable à la stabilité atomique des gaz rares ou à celle des noyaux " magiques " connus. La position précise de ces nombres magiques est toujours une source de débats, mais il est probable que grâce à la fois aux effets de formes et à ces arrangements favorables des nombres de neutrons et de protons, une zone de noyaux super-lourds particulièrement stable et à durée de vie élevée devrait finalement être atteinte.

Paul-Henri Heenen
Service de physique nucléaire théorique et de physique mathématique de la Faculté des Sciences