Evidence de la découverte des nouveaux éléments chimiques Z=113 et Z=115

Depuis 1966, on est parti de l'hypothèse que les isotopes riches en neutrons des éléments situés vers le numéro atomique 114 devaient présenter une durée de vie relativement longue. La raison de cette croyance réside dans les effets de coques qui, comme on le sait, peuvent stabiliser des noyaux d'atomes. Après de nombreuses années de recherche infructueuse de ces éléments, ceci aussi bien dans la nature qu'à l'aide de grands accélérateurs, cette hypothèse est lentement tombée dans l'oubli.
C'est avec d'autant plus de surprise que le monde spécialisé a réagi en 1999 à l'annonce provenant de Dubna, en Russie, selon laquelle, lors d'une expérience menée à l'Institut de recherche nucléaire Flerov, on était parvenu, en utilisant le cyclotron 4 m se trouvant dans cet Institut, à synthétiser l'isotope ²⁸³112 riche en neutrons, isotope qui devait clairement être classé dans cette "île d'éléments super lourds". La demi-vie de l'isotope a été chiffrée à 3 minutes. Cette durée est bien plus longue que celle de l'isotope ²⁷⁷112 déjà connu à cette époque, isotope d'une demi-vie de 240 microsecondes seulement! Pour la synthèse de ce nucléide à vie longue, on a utilisé une cible d'uranium 238 qui avait été irradiée pendant de nombreuses semaines avec un faisceau de calcium 48 à haute énergie. Cet isotope de calcium est riche en neutrons et existe dans la nature avec une fréquence de 0,2% seulement. Il peut être produit dans des installations d'enrichissement isotopique, mais est extrêmement cher.
Pour séparer les produits générés très rarement sur l'accélérateur, on a utilisé un séparateur à bobines rempli de faibles quantités de gaz d'hydrogène. On avait placé derrière le séparateur un détecteur à semi-conducteurs en silicium, appareil qui peut détecter l'émission de particules alpha et la fission spontanée de noyaux d'atomes implantés en cours de désintégration, et ceci avec une sensibilité de jusqu'à un atome par mois! On atteint cette sensibilité élevée entre autres parce que le produit recherché se désintègre par une série d'émissions alpha. Ceci signifie que tout atome se désintégrant dans le détecteur peut être démontré à l'endroit de l'implantation par une série de particules alpha d'énergies déterminées qui doivent encore intervenir de manière échelonnée dans le temps selon certaines règles de la physique nucléaire. Le pourcentage d'erreur est de ce fait très faible. De telles chaînes de désintégrations sont parfaitement connues depuis longtemps de par la nature: c'est ainsi que l'uranium 238 comme le thorium 232 se désintègrent en plomb, produit final stable, en séquences d'émissions échelonnées de particules alpha et bêta.
Pendant l'été 2003, une cible d'américium 243 hautement radioactif a été irradiée pendant plusieurs semaines à l'Institut Flerov avec des ions de calcium 48 à haute énergie. L'énergie d'irradiation atteignait quelque 240 millions d'électronvolts (MeV). La fusion nucléaire engendre alors l'élément 115 à partir de la cible (numéro atomique 95) et de la particule de faisceau calcium (numéro atomique 20). Les taux de production ont toutefois été très faibles: un atome par semaine seulement, et ceci bien qu'une cible d'américium 243 d'une épaisseur d'environ 300 nm eût été irradiée en permanence avec quelque 3x10¹² particules de calcium 48 par seconde! Ceci s'explique par la fissilité élevée des produits constitués en premier, produits qui éclatent pour la majorité d'entre eux, de manière analogue à la fission de l'uranium. Seule une partie extrêmement faible a survécu après émission de trois ou quatre neutrons.
Au cours du temps de rayonnement, certains atomes en désintégration des isotopes ²⁸⁷115 et ²⁸⁸115 ont pu être observés dans le détecteur au silicium. Les deux isotopes ont émis chacun 5 particules alpha de manière échelonnée et ont ainsi transformé l'élément 115 en élément 105 (dubnium). Le produit final dubnium s'est ensuite désintégré après 73 minutes (²⁶⁷Db de ²⁸⁷115), resp. 16 heures (²⁶⁸Db de ²⁸⁸115) par fission nucléaire spontanée. Après la première désintégration alpha, on a par ailleurs découvert comme ?sous-produit" l'élément 113, jusqu'alors inconnu. Les éléments portant le numéro atomique 111 et en dessous sont connus depuis quelques années déjà. Les longues durées de vie des nucléides observés, en particulier des deux produits terminaux des chaînes (²⁶⁷Db et ²⁶⁸Db), peuvent être considérées comme une nouvelle preuve de l'existence des îles d'éléments super lourds.
Une autre expérience qui sera menée à Dubna pendant l'été 2004 dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Flerov et l'Institut Paul-Scherrer permettra de répéter l'expérience, puis d'isoler chimiquement le dubnium et d'en fournir la démonstration. Ceci permettrait de confirmer l'affectation encore hypothétique des chaînes de désintégration alpha à des nombres atomiques fixes, une condition indispensable pour que l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) accepte la découverte des nouveaux éléments 115 et 113 et concède aux chercheurs le droit de proposer des noms. L'IUPAC est une commission internationale qui définit notamment toutes les attributions de noms en chimie, dont font naturellement partie aussi les noms de nouveaux éléments chimiques. A l'Institut Paul-Scherrer, l'élaboration de la séparation chimique des divers atomes de dubnium a été confiée à MM. D. Schumann et H. Bruchertseifer.
L'élément le plus lourd connu jusqu'à présent est le darmstadtium; il porte le numéro atomique 110 et a été découvert il y a un peu plus de dix ans auprès de la Société de recherche sur les ions lourds de Darmstadt lors d'une réaction de fusion entre une cible de plomb et un faisceau de nickel. Mais on avait synthétisé alors un isotope pauvre en neutrons qui n'avait vécu que quelques millisecondes et ne fait donc pas partie de l'île des éléments super lourds. La dénomination définitive n'est intervenue que l'année dernière lors de l'assemblée générale de l'IUPAC.