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Les secrets du plutonium percés !

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Le plutonium est un élément chimique rendu tristement célèbre par la bombe atomique larguée sur Nagasaki. Il est connu aussi parce qu'il est utilisé dans certains réacteurs nucléaires pour produire de l'électricité. La physique de son noyau est donc plutôt bien comprise. Il n'en était pas de même pour la chimie et la physique atomique de cet élément qui exhibent des phénomènes surprenants. Une équipe de chercheurs de l'Université Rutgers vient de publier un article dans Nature expliquant l'origine de ces propriétés anormales.

Combustible MOX.
Schéma de la bombe au plutonium lancée sur Nagasaki.

Les propriétés chimiques des éléments, plus précisément la façon dont ils peuvent se lier entre eux, dépendent du nombre d'électrons occupant certaines orbitales atomiques. Ces orbitales atomiques correspondent en général aux niveaux de plus hautes énergies pour les électrons. On appelle ceux-ci des électrons de valence.

Le plutonium est un métal, or contrairement à beaucoup d'autres métaux, il ne possède pas de propriétés magnétiques notables et c'est un mauvais conducteur d'électricité. Cela suffit déjà pour se douter qu'il y a quelque chose de curieux en ce qui concerne ses électrons de valence. En outre, de petites modifications de sa température, ou de la pression à laquelle il est soumis, suffisent à le faire changer de volume.

L'explication avancée aujourd'hui est la suivante. Alors que le nombre d'électrons de valence varie rarement pour un même élément, ce nombre serait capable de fluctuer sur de petites échelles de temps pour des atomes dans un solide. Le plutonium serait juste un élément où ce phénomène serait particulièrement notable.

Plusieurs théories, chacune expliquant une caractéristique physico-chimique particulière du plutonium, prévoyaient un nombre déterminé d'électrons de valence. Ce nombre ne variait pas dans le temps mais il était de 4, 5 voir 6 électrons sur l'orbitale 5f. En remettant en cause sa fixité, les chercheurs de Rutgers ont construit une théorie indiquant que, 80% du temps environ, le plutonium possède 6 électrons de valence et de 5 à 4 le reste du temps.

Ils ont pour cela utilisé certaines méthodes de la physique de la matière condensée, comme la théorie du champ moyen dynamique, dans lesquelles les corrélations entre les mouvements des électrons sont particulièrement fortes.

Des résultats expérimentaux récents, faisant intervenir des faisceaux de rayons X et des méthodes spectroscopiques, sont en accord avec le phénomène de fluctuation rapide du nombre des électrons de valence. En outre, la théorie a prédit avec succès les propriétés d'éléments voisins du plutonium dans le tableau de Mendeleïev, en particulier l'américium et le curium.

Principe de la fission nucléaire provoquée par un neutron (Crédit : atomicarchive.com)."

En plus de ces avancées théoriques pouvant inspirer d'autres percées dans le domaine de la physique atomique, de telles études pourraient bien avoir des retombées dans les domaines de la médecine ou du point de vue de la sécurité en ce qui concerne l'industrie nucléaire, le combustible MOX par exemple.

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