Rutherfordium

La série des actinides s’achève formellement avec le lawrencium (élément 103), lorsque la sous-couche 5f est complètement remplie. Le rutherfordium (104) inaugure la série des transactinides en se situant dans le bloc d de la période 7, directement sous le hafnium, dans le groupe 4. Il marque le début de la série des éléments superlourds, pour lesquels les électrons recommencent à occuper les orbitales 6d. Cela permet de vérifier si les régularités périodiques concernant les électrons de valence et la réactivité chimique restent valables pour des atomes de masse extrêmement élevée.

La chimie à l’échelle d’un seul atome nécessite des systèmes entièrement robotisés. L’atome nouvellement formé dans la cible de l’accélérateur est éjecté par recul nucléaire, puis transporté par un flux d’hélium contenant des microgouttelettes d’aérosol jusqu’à un module de réaction chimique. En quelques secondes, l’atome est volatilisé sous forme de chlorure ou injecté dans une colonne de chromatographie liquide. Des détecteurs au silicium enregistrent sa désintégration alpha, ce qui permet de déduire son comportement chimique à partir de son temps de rétention.

Bien que seuls quelques centaines d’atomes aient été fabriqués au cours de l’histoire, les calculs théoriques prédisent que le rutherfordium serait, à température ambiante, un métal solide argenté d’une densité extraordinaire, proche de 17 grammes par centimètre cube. Cependant, il serait impossible de forger un véritable morceau de ce métal, car la chaleur dégagée par sa radioactivité le ferait fondre et se vaporiser presque instantanément.

Les premiers isotopes du rutherfordium découverts avaient des durées de vie de l’ordre de la microseconde et se désintégraient presque instantanément par fission spontanée. Cependant, le rutherfordium-267 possède 163 neutrons, ce qui le rapproche de la couche neutronique quantique fermée N=162. Cette structure nucléaire déformée ralentit considérablement la fission et prolonge sa demi-vie à plus d’une heure. Sa longévité relative offre aux radiochimistes une fenêtre temporelle précieuse pour réaliser des expériences complexes en phase liquide.

Les éléments superlourds sont produits dans des accélérateurs et n’existent généralement que pendant très peu de temps. Les scientifiques transportent les atomes nouvellement créés vers des équipements automatisés qui les font réagir avec d’autres substances ou mesurent leur adhérence à différentes surfaces. Ils enregistrent ensuite leur désintégration radioactive. Même s’il est impossible de recueillir un échantillon visible, ces mesures permettent de déduire certaines propriétés chimiques.

Les chercheurs comparent les composés du rutherfordium et du hafnium afin de vérifier si les deux éléments se comportent de manière similaire. Dans certaines expériences, un composé du rutherfordium a parcouru une plus grande distance dans un système chauffé avant d’être retenu, ce qui indique une volatilité plus élevée dans ces conditions. Ces tests permettent d’étudier un élément qui n’est produit qu’en quantités infimes et qui se désintègre rapidement.

Pour créer un noyau de rutherfordium, il faut surmonter l’immense répulsion électrostatique de Coulomb entre deux noyaux positifs. Dans la méthode de « fusion chaude », un accélérateur linéaire projette des ions néon-22 ou carbone-12 à une vitesse équivalant à 10 % de celle de la lumière contre une cible rotative de plutonium-242 ou de californium-249. Lors d’une collision sur un milliard, les noyaux fusionnent pour former un noyau composé excité, qui survit en évaporant les neutrons résiduels.