Première analyse chimique de bohrium, élément 107

Cette direction de recherche a connu une véritable renaissance ces dernières années. Ceci s'explique par les prévisions théoriques selon lesquelles, premièrement, il doit encore y avoir des isotopes à vie longue de ces éléments qui existent pendant de nombreuses années, si ce n'est pendant des millénaires, et que deuxièmement, suite aux effets dits relativistes, les propriétés chimiques d'éléments aussi lourds n'obéissent plus aux principes structurels dans le système de classification périodique. Le principe fondamental de la chimie qui sert de base à la classification périodique des éléments se trouverait ainsi remis en question.
Effectivement, des scientifiques de Dubna (Russie) ont découvert, en collaboration avec des collègues de Livermore (USA), des isotopes des éléments 110, 112 et 114 avec des durées de vie allant jusqu'à 15 minutes (Nature 1999, volume 400, pages 242 à 245). Etant donné que les isotopes identifiés ne se trouvent pas encore au milieu des durées de vie maximales prédites, les chances sont grandes de trouver des isotopes de durée de vie encore plus longues lors d'expériences futures.
Les expériences qui portent sur la découverte de nouveaux éléments permettent seulement de démontrer leur existence, et non pas d'obtenir des connaissances sur leurs propriétés chimiques. Si l'on veut positionner un nouvel élément dans le tableau périodique - et l'intégrer ainsi dans l'ensemble des éléments chimiques - il faut procéder à des recherches de chimie.
L'élément le plus lourd avec lequel on a fait de la chimie jusqu'à présent est le seaborgium (élément 106). Du point de vue chimique, le système de classification périodique se termine donc avec cet élément similaire au tungstène (le seaborgium est un élément transitoire du 6e groupe auquel appartiennent le molybdène et le tungstène).
Dans le cadre d'une collaboration internationale de groupes de radiochimie de Suisse (Institut Paul-Scherrer et Université de Berne), du Lawrence Berkeley National Laboratory américain, du Flerov Laboratory for Nuclear Reactions de Dubna, en Russie, de la Société de recherche sur les ions lourds de Darmstadt et du Centre de recherche de Rossendorf, en Allemagne, une expérience chimique avec le bohrium (élément 107) est actuellement conduite pour la première fois avec succès sur un accélérateur de l'Institut Paul-Scherrer. Lors de cette expérience, qui est toujours en cours, quatre atomes de bohrium ont déjà été nettement identifiés après une séparation chimique, ceci à la moitié de la période de mise à disposition du faisceau, d'un mois environ. Des essais d'analyse de cet élément effectués antérieurement à Berkeley et à Dubna avaient échoué.
L'expérience conduite au PSI a recours au procédé chimique OLGA. Il s'agit d'une technique de volatilisation gazeuse en continu (OLGA = On-Line Gaschemistry Apparatus). Dans le cas du bohrium, on met à profit le fait que cet élément, qui appartient probablement au 7e groupe du tableau périodique, a un comportement similaire à celui du rhénium et du technétium, homologues plus légers qui dans un flux de gaz échauffé, oxygéné et chlorant (gaz chlorhydrique), forment des molécules très volatiles.
Avec le système OLGA, le technétium est volatile dans de telles conditions dès 50°C, et le rhénium à 75°C. Lors de l'expérience en cours avec du bohrium, on a pu montrer que dans des conditions chimiques identiques, le bohrium est volatile à 180°C. Des expériences préliminaires ont indiqué qu'aucun autre élément lourd n'était ici volatile.
Grâce à une technique de mesure extrêmement sensible, technique qui permet d'analyser les propriétés de désintégration de chaque atome isolé au moyen d'une spectroscopie alpha à haute dissolution, cette expérience a pu être menée à bien avec peu d'atomes seulement. Ceci était nécessaire en considération du taux de production de cet élément de quelque trois atomes par jour de temps en faisceau dans l'accélérateur, taux dont on s'attendait qu'il serait peu élevé et qui a maintenant été confirmé. Pour la synthèse de l'isotope sélectionné pour l'expérience (du bohrium de numéro atomique 267, demi-vie d'environ 20 secondes), on a opté pour la réaction de fusion d'ions de néon (numéro atomique 22) de très grande énergie avec une cible hautement radioactive composée de berkélium (numéro atomique 249). Le berkélium, qui ne se trouve pas en Europe, a été mis gratuitement à disposition pour cette expérience par le Lawrence Berkeley National Laboratory, après accord du Département de l'énergie DOE. La valeur commerciale de cette matière s'élève à plusieurs centaines de milliers de francs suisses pour la cible mise à disposition (moins d'un milligramme). Pour l'expérience, des faisceaux ioniques de néon de haute intensité (intensité de 3 x 10¹² particules par seconde) ont été accélérés pour la première fois pendant plusieurs semaines, avec succès, dans le cyclotron du PSI. Il y a lieu de mentionner l'excellente coopération entre les expérimentateurs et l'équipe de radioprotection du PSI: il s'agissait en effet de soumettre une cible hautement radioactive à un faisceau ionique intense tout en respectant des exigences de sûreté extrêmement élevées.