Des physiciens mesurent au CERN une propriété fondamentale de l'élément le plus rare sur la Terre

Une équipe internationale de physiciens travaillant auprès de l’installation de faisceaux radioactifs ISOLDE, au CERN1, a mesuré pour la première fois le potentiel d’ionisation d'un élément radioactif rare, l'astate2.

Cette valeur, publiée aujourd'hui dans la revue Nature Communications, pourrait aider les chimistes à développer des applications de cet élément dans le domaine de la radiothérapie, et servira de repère pour des théories prédisant la structure des éléments superlourds.

Le potentiel d’ionisation d’un élément est l’énergie nécessaire pour arracher un électron à l’atome, ce qui le transforme en ion. Cette valeur est liée à la réactivité chimique de l’élément, et, indirectement, à la stabilité de ses liaisons chimiques dans les composés.

L’astate n’existe sur la Terre qu’à l’état de traces3, mais les physiciens d'ISOLDE ont pu produire des isotopes artificiels d’astate au moyen de réactions induites par les protons, puis utiliser des lasers à longueur d’ondes modulable pour étudier leur structure atomique par une technique appelée spectroscopie par ionisation résonante par faisceaux laser au niveau de la source.

Les faisceaux de protons de haute énergie issus du Booster du Synchrotron à protons du CERN sont envoyés sur des cibles d’uranium. Les collisions produisent une gerbe d’éléments chimiques, qui se diffusent dans une cavité métallique à 2 000°C. Si l’on envoie des faisceaux laser de longueurs d’onde déterminées dans cette cavité, on obtient une ionisation sélective de certains des atomes. Un champ électrique extrait les ions chargés positivement, qui sont envoyés dans des aimants réglés de façon à permettre uniquement la transmission d’une masse choisie.  Le résultat est un faisceau d’ions ne contenant qu’un seul isotope, qui est envoyé sur un détecteur. En appliquant cette technique tout en surveillant la longueur d’onde laser, les physiciens d’ISOLDE ont mesuré le potentiel d’ionisation de l’astate, et ont obtenu une valeur de 9,31751 électronvolts.

Cette mesure comble une lacune du tableau périodique, l’astate étant le dernier élément présent dans la nature pour lequel cette propriété fondamentale restait à ce jour inconnue. L’astate est un élément particulièrement intéressant parce que ses isotopes sont des candidats pour la création de produits radiopharmaceutiques pour le traitement du cancer par thérapie alpha ciblée (méthode permettant de bloquer la croissance des cellules cancéreuses).

« Aucun des nombreux isotopes à vie brève utilisés en médecine n'existe dans la nature. Ces éléments doivent être produits artificiellement par des réactions nucléaires, explique Bruce Marsh, de RILIS (source d'ions laser à ionisation résonante auprès d’ISOLDE). « C’est aussi le cas pour les isotopes médicaux possibles de l’astate.  La particularité de l’astate est que, du fait de sa rareté dans la nature, il est difficile de l’étudier expérimentalement ; c'est pourquoi cette mesure de l'une des propriétés fondamentales de l'élément est une avancée importante. »

Cette valeur mesurée expérimentalement servira également de repère pour les théories qui prédisent les propriétés atomiques et chimiques des éléments superlourds, en particulier l’élément 117, récemment découvert, un homologue de l’astate.  

« La spectroscopie laser au niveau de la source est une méthode extrêmement sensible pour l’étude des propriétés atomiques des isotopes exotiques à vie brève, explique Valentin Fedosseev, chef de l’équipe RILIS. Elle est bien adaptée à l’exploration des spectres des éléments produits artificiellement, comme les éléments superlourds. Les succès obtenus dans cette étude de l’astate ouvrent de nouvelles perspectives pour des projets similaires commencés récemment au GANIL, en France, et au JINR, en Russie. »

Voir l’article : « Measurement of the first ionization potential of astatine by laser ionization spectroscopy »

Note(s)

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche du monde en physique des particules. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. Israël et la Serbie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Commission européenne, les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, la Turquie et l’UNESCO ont le statut d'observateur.

2. En 1940, D. Corson et ses collaborateurs ont découvert l’élément astate, obtenu, en bombardant une cible de bismuth avec des particules alpha. L’isotope le plus stable de l’astate a une demi-vie de seulement 8,1 heures. En 1964, McLaughlin a étudié un échantillon de 70 nanogrammes d’isotopes radioactifs de l’astate produits artificiellement ; il a été le premier à observer deux raies spectrales dans la région des UV. Aucune autre donnée sur le spectre atomique de l’astate n'était connue avant l'étude ISOLDE rapportée ici.

3. D’après une estimation réalisée par Isaac Asimov en 1953, la quantité totale d’astate présente dans la nature est de 0,07 grammes.

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