NUCLÉAIRE (CHIMIE)

NUCLÉAIRE (CHIMIE)

La chimie nucléaire s’est développée à partir des découvertes de la radioactivité naturelle et de la radioactivité artificielle et correspond aux recherches effectuées sur la structure des noyaux des atomes, sur les réactions entre noyaux, sur les transformations spontanées ou induites de ces noyaux (transmutations) et sur les synthèses de nouveaux noyaux. On peut comparer de façon intéressante cette définition aux objectifs de la chimie ordinaire, qui sont la connaissance de la structure des molécules et atomes, des réactions entre molécules et des méthodes de synthèse permettant de construire de nouveaux édifices moléculaires.

Les deux sciences ont des buts et des caractères très voisins. La chimie ordinaire part des espèces atomiques et traite de la constitution de la matière au niveau de l’association de ces espèces pour former les corps composés et les matériaux usuels. La chimie nucléaire s’intéresse aussi à la constitution de la matière, mais au niveau de l’association des constituants des noyaux des atomes, et cherche à comprendre l’origine des éléments qui servent de base à la chimie classique.

On sait qu’un atome est constitué d’un noyau et d’un cortège électronique. À chaque élément chimique, du plus simple (l’hydrogène) au plus complexe, correspond un nombre déterminé d’électrons: 1 pour l’hydrogène, 109 pour le dernier trouvé. Les liaisons entre atomes, responsables de la constitution des molécules, ont lieu au niveau des électrons périphériques. Aussi le chimiste ne s’intéresse pour ainsi dire jamais aux noyaux, toujours masqués par le nuage électronique et dont l’existence n’a comme rôle chimique que de compenser la charge négative des électrons par une charge positive égale, et surtout d’apporter l’essentiel de la masse.

En revanche, c’est à ce noyau, à sa constitution, à la façon dont il a atteint sa masse et sa charge, que le chimiste nucléaire s’intéresse. Intouchable pour le chimiste ordinaire, le noyau, cœur de l’atome, est bombardé, disséqué, modifié et dans quelques cas synthétisé par le chimiste nucléaire. Ses constituants, toujours les mêmes, sont le proton, noyau du plus simple des éléments (l’hydrogène), et le neutron, particule neutre, sans charge électrique, instable à l’état isolé. Pour un chimiste, un élément diffère d’un autre parce que le nombre Z d’électrons du cortège n’est pas le même; pour un chimiste nucléaire, un élément diffère d’un autre parce que le nombre de protons du noyau, Z, est changé. Mais deux noyaux du même élément (c’est-à-dire de même nombre Z) peuvent aussi être différents si le nombre de neutrons n’est pas le même.

Pour provoquer des changements au sein des noyaux, les énergies à mettre en jeu sont des millions de fois supérieures à celles utilisées dans les ruptures de liaisons entre atomes et dans les modifications de structure des molécules. C’est la raison pour laquelle les chimistes considèrent les atomes et leurs noyaux comme insécables. Les sources d’énergie qu’ils utilisent ne peuvent en effet perturber que les électrons du cortège. L’élévation de la température de quelques centaines ou milliers de degrés provoque des chocs entre molécules avec des énergies cinétiques de quelques milliers de calories ou encore de quelques électrons-volts. Les outils des chimistes nucléaires doivent reconstituer les collisions entre noyaux qui se produisent dans les étoiles, c’est-à-dire atteindre des énergies de millions d’électrons-volts. Les températures correspondantes, de plusieurs centaines de millions de degrés, ne sont pas réalisables. Alors on s’adresse à d’autres méthodes, qui sont l’accélération de protons ou d’ions divers (atomes chargés) dans des machines électromagnétiques, puis le bombardement par ces projectiles accélérés de cibles constituées par les éléments contenant les noyaux à étudier. Grâce à ces chocs nucléaires, l’énorme énergie de liaison entre les constituants des noyaux (nucléons = neutrons et protons) peut être brisée, de nouvelles associations de nucléons peuvent être constituées.

Il est devenu possible de faire la synthèse de nouveaux noyaux par bombardement d’un noyau donné au moyen d’un autre noyau accéléré. À un nouveau noyau correspond un nouvel élément. Outre les éléments naturels trouvés sur la Terre, on a ainsi fabriqué des éléments artificiels, créations de l’homme. Sur les 109 éléments connus actuellement, 89 sont naturels, c’est-à-dire existent sur la Terre dans des proportions très diverses, et les autres sont artificiels, tels le technétium (Z = 43), le plutonium (Z = 94) ou le hahnium (Z = 105).

Un autre aspect de la chimie nucléaire consiste à réaliser le vieux rêve des alchimistes, autrement dit changer un élément en un autre: transmuter, par exemple, comme les Joliot-Curie, l’aluminium en phosphore, ou, pourquoi pas, le mercure en or ou le tungstène en platine. Par bombardement d’un noyau de numéro atomique donné au moyen d’un autre noyau, on peut, en ajoutant ou en enlevant des nucléons, changer ce numéro, donc la nature de l’élément. Ces transmutations artificielles, dont la première a été réalisée par Ernest Rutherford, ne présentent aucun intérêt commercial et leur découverte, tellement espérée des alchimistes du Moyen Âge, serait maintenant pour eux un grand sujet de déception. Par contre, au cours de ces transmutations, les noyaux formés d’un élément nouveau ne sont pas exactement les noyaux stables que l’on rencontre dans la nature. Ils disposent d’un peu plus ou d’un peu moins de neutrons et cela leur confère un caractère instable. Ils ont une certaine probabilité de disparaître en émettant un rayonnement: ils sont radioactifs. Pour un élément quelconque – le soufre, le manganèse ou le plomb –, on est donc capable de produire des isotopes (même numéro atomique, mais nombre de neutrons différent) radioactifs. Ces radio-isotopes peuvent être aisément suivis. Leur découverte a fourni un outil de recherche d’une grande précision pour révéler la présence d’un élément en très faible quantité. La chimie nucléaire est en mesure de fournir aux biologistes et aux médecins, aux métallurgistes, aux analystes, des radio-isotopes de tous les éléments.

Parmi les réactions nucléaires découvertes, il en est une dont l’application est bien connue: c’est la réaction de fission, correspondant à la rupture des noyaux les plus lourds en deux fragments, rupture accompagnée de libération d’énergie. Les réacteurs nucléaires utilisent la fission de l’uranium naturel ou du plutonium artificiel pour fournir de l’électricité.

Le dernier aspect de la chimie nucléaire consiste à tenter de comprendre comment les éléments naturels ont eux-mêmes été créés, à partir de neutrons, dans les astres en évolution. La chimie ordinaire tente de décrire les processus de synthèse naturelle des composés existant sur terre, tels les sulfures, les oxydes et tous les minéraux, les acides, les alcools, les sucres et tous les composés organiques. Mais les éléments constitutifs de ces composés – l’hydrogène, le carbone, l’oxygène, les quelque cinquante métaux divers, etc. – sont eux-mêmes synthétisés au cours de réactions nucléaires de plus en plus complexes au fur et à mesure que les noyaux sont plus lourds. Partant des neutrons devenus des protons, puis des réactions entre ces noyaux d’hydrogène conduisant à l’hélium, puis au carbone, on peut expliquer la nucléosynthèse des éléments et leur abondance relative dans l’Univers.

Ainsi peut-on définir la chimie nucléaire dans ses bases et ses buts. Par une extension abusive, certains ont rangé dans cette science toutes les connaissances touchant de près ou de loin au domaine nucléaire, et même tous les résultats de travaux effectués dans les centres nucléaires, sur la chimie de l’uranium ou du plutonium, par exemple, ou même sur celle du graphite.

1. Stabilité nucléaire et énergie de liaison des nucléons

Les transmutations des noyaux, qu’elles soient spontanées ou provoquées, proviennent de leur instabilité, c’est-à-dire de leur tendance à se transformer en noyaux plus stables. Il convient donc de définir la stabilité d’un noyau. On sait depuis Rutherford que les noyaux atomiques sont constitués de deux types de particules liées entre elles par les forces nucléaires. Ce sont le proton , identique au plus léger noyau, celui d’hydrogène, portant une charge élémentaire positive, et le neutron , légèrement plus lourd que le proton, mais non chargé. Le nombre de protons d’un noyau est appelé nombre atomique Z, et le nombre total de nucléons (neutrons + protons) est le nombre de masse A = Z + N.

La cohésion des N neutrons et Z protons à l’intérieur du volume nucléaire est assurée par des forces à courte distance qui surpassent la répulsion électrostatique s’exerçant normalement entre les Z protons chargés et qui permettent de maintenir plusieurs particules (entre 2 et plus de 250 selon le noyau) dans un très faible volume. Ces forces sont de nature mal connue et c’est l’objet de la physique nucléaire de les élucider ^{[cf. NOYAU ATOMIQUE]}. On sait seulement que leur portée est beaucoup plus faible que celle des forces de gravitation ou des forces de l’électromagnétisme, mais que leur puissance est considérable, de sorte que les énergies correspondant à la structure nucléaire sont des millions de fois plus grandes que les énergies mises en jeu dans la structure des cortèges électroniques des atomes. On les exprime en millions d’électrons-volts (MeV). Par exemple, une énergie de 100 MeV par noyau correspond environ pour 1 kg de matière à 10¹⁰ kilocalories. Une réaction chimique ordinaire dégage environ 100 kilocalories par gramme, c’est-à-dire cent mille fois moins que certaines réactions nucléaires.

Un noyau constitué de A nucléons est plus stable que les A nucléons dispersés, parce que les A nucléons sont suffisamment proches les uns des autres pour que les forces nucléaires s’exercent. Les processus au cours desquels les noyaux se sont créés dans les astres sont donc en général exoénergétiques, puisque les produits sont plus stables que les constituants de départ (neutrons et protons). La différence d’énergie, appelée énergie de liaison , est prise aux dépens de la masse. Les forces nucléaires, bien que mal connues, provoquent donc un effet connu et mesuré, qui est la liaison des nucléons entre eux. Pour disperser à nouveau les constituants d’un noyau, il faudrait fournir de l’énergie.

La masse des nucléons libres est plus grande que celle des nucléons liés. En vertu de la relation d’Einstein, 林 = mc ², une différence de masse m est équivalente à une différence d’énergie 林, avec comme facteur de proportionnalité le carré de la vitesse de la lumière. Si la masse d’un noyau est M et si A est le nombre de nucléons de masse m à l’état libre, M est inférieur à m A. La différence de masse 識 = m A 漣 M peut s’exprimer sous forme d’énergie de liaison:

Plus la perte de masse obtenue à la constitution du noyau (m A 漣 M) est élevée, plus le noyau formé est stable, car plus les nucléons sont liés entre eux.

Grâce à de nombreuses expériences de chimie nucléaire, on connaît actuellement avec une bonne précision les énergies de liaison moyenne par nucléon de tous les noyaux stables, c’est-à-dire de tous les noyaux existant sur terre sans aucune possibilité de disparaître spontanément. Cette énergie moyenne est l’énergie totale de liaison divisée par le nombre de nucléons. Exprimée sous forme de l’équivalent masse, c’est le rapport R = (m A 漣 M)/A, appelé facteur de cohésion ou perte de masse par nucléon. Sa valeur maximale est obtenue pour les noyaux ayant entre 55 et 65 nucléons, c’est-à-dire dans la région du nickel et du fer. Elle est de 8,8 MeV par nucléon. Dans le premier et le plus simple noyau complexe, l’hydrogène lourd ou deutérium, constitué d’un proton et d’un neutron, l’énergie de liaison n’est que 2 憐 1,112 MeV. Pour l’hélium, constitué de deux neutrons et deux protons, noyau essentiel de la composition solaire, l’énergie de liaison est de 4 憐 7,07 MeV. Pour l’oxygène, on atteint 7,97 憐 16 MeV (8 protons, 8 neutrons), et pour le fer (26 protons, 30 neutrons) 8,8 憐 56 MeV. Pour un noyau très lourd comme le plomb (82 protons, 126 neutrons), l’énergie de liaison est d’environ 7,8 憐 208 MeV.

Lorsque deux noyaux ont le même nombre de protons Z, mais un nombre de neutrons différent, on les nomme isotopes (cf. ISOTOPES). Grâce aux techniques de spectrométrie de masse et de séparation isotopique, on a déterminé la composition isotopique des 83 éléments stables. On a dénombré 284 isotopes. Il n’existe par exemple qu’un seul isotope stable de sodium, d’aluminium, de phosphore, d’or, de bismuth. Par contre, l’oxygène comporte trois isotopes stables, l’étain 10 et le plomb 4. Si l’on examine les valeurs de Z et de A 漣 Z, c’est-à-dire le nombre de protons et le nombre de neutrons de tous les isotopes stables, on remarque qu’à l’exception de l’hydrogène et de l’hélium 3 (hélium à 1 neutron) A 漣 Z est supérieur ou égal à Z et l’excès de neutrons croît avec le nombre atomique, comme la figure 1, due à Emilio Segrè, le montre. Le rapport (A 漣 Z)/Z le plus élevé parmi les isotopes stables est celui du plomb 208, soit 126/82.

2. Noyaux radioactifs. Transmutations

Si l’on s’écarte, pour un élément donné, de la valeur (A 漣 Z)/Z correspondant à la plus grande stabilité, les noyaux peuvent exister, mais de façon transitoire. Autrement dit, ils n’auront pas une existence éternelle et présenteront une certaine probabilité de disparaître par transmutation en un noyau plus stable. Cette transmutation spontanée a pour résultat de modifier le nombre de protons et de neutrons sans changer A, nombre total de nucléons, de façon à atteindre à nouveau le rapport (A 漣 Z)/Z le plus stable. Les isotopes présentant ces transmutations sont appelés radioactifs par émission bêta (cf. RADIOACTIVITÉ). On connaît une autre limite de stabilité. Au-delà du bismuth, il n’existe aucun noyau parfaitement stable. L’uranium (Z = 92) n’est trouvé sur terre qu’en raison de sa durée de vie assez longue, et, depuis sa création, la moitié environ a disparu. L’accumulation de nucléons dans un volume nucléaire ne peut donc avoir lieu sans limite. L’origine de cette limitation est un phénomène de saturation des forces nucléaires. Les nucléons qui viennent s’ajouter en surface n’échangent pas avec suffisamment de nucléons intérieurs les forces nucléaires, de sorte que l’énergie de liaison est faible. Les noyaux très lourds ont alors tendance à se transformer en noyaux plus légers et plus stables par radioactivité alpha et fission spontanée.

Une particule alpha est un noyau d’hélium (deux protons et deux neutrons). C’est un ensemble très stable présentant une énergie de liaison de 28 MeV. Or, dans le noyau d’uranium 238 (Z = 92; A 漣 Z = 146), l’énergie de liaison des 4 nucléons les moins liés n’est que de 24 MeV environ. L’ensemble thorium (Z = 90; A 漣 Z = 144) plus He (Z = 2; A 漣 Z = 2) est plus stable que le noyau d’uranium. Au cours du temps, les noyaux d’uranium, accumulés dans certaines conditions dans les étoiles supernovae (cf. chap. 5), vont donc disparaître par émission de particules alpha (Rutherford). Les noyaux thorium 234 sont eux-mêmes instables parce que trop riches en neutrons (radioactivité 廓 size=1^漣 ), puis leurs descendants, par une série de radioactivité alpha, finissent par conduire au plomb, résidu stable de toutes les filiations radioactives naturelles.

La synthèse de noyaux lourds a pu avoir lieu dans les supernovae – ainsi que dans les laboratoires, si bien que des éléments ont été produits par l’homme au-delà de l’uranium. Tous sont instables, soit par radioactivité alpha, soit, lorsqu’ils deviennent très lourds, comme le californium 252 (Z = 98), par fission spontanée. Cela signifie qu’ils ont tendance à la rupture en deux fragments de numéro atomique (Z) et de nombre de masse (A) beaucoup plus faibles et donc plus stables. L’énergie de liaison par nucléon n’est plus que d’environ 7,4 MeV pour A = 240. La somme des masses de deux fragments de A compris entre 90 et 130 est inférieure à la masse d’un noyau de A égal à 240. Si ce noyau très lourd est déformé, la répulsion due aux charges des protons exagère la déformation et provoque la rupture en deux morceaux projetés loin l’un de l’autre avec une grande énergie cinétique. L’instabilité énergétique conduit à la fission spontanée, découverte par le savant soviétique Georgii Nikolaevitch Flerov en 1940.

Le nombre de noyaux pouvant exister en tant qu’ensembles liés est bien supérieur au nombre de noyaux stables. Tant que les masses des nucléons liés sont plus petites que celles des nucléons libres, l’existence du noyau est possible, même si elle est parfois très brève. Par exemple, les oxygènes stables sont les isotopes A = 16, A = 17 et A = 18, bien que le plus abondant soit A = 16. Mais on connaît un oxygène A = 15 radioactif et on a découvert récemment que les nucléons étaient encore liés pour A = 24 du côté des oxygènes riches en neutrons et A = 12 pour les oxygènes pauvres en neutrons.

Du côté des masses très lourdes, on estime maintenant possible que la fission spontanée limite l’existence des noyaux au-delà de A = 320 et Z = 128, un îlot particulièrement stable étant prévu pour des valeurs de A comprises entre 296 et 310 et de Z entre 114 et 124 ^{[cf. ÉLÉMENTS SUPERLOURDS]}.

On peut estimer à plus de 7 000 le nombre d’isotopes pouvant exister, dont environ 1 800 ont été découverts. L’un des objectifs de la chimie nucléaire est de produire et d’étudier les propriétés de ces nouveaux nucléides. Une très belle illustration de cette situation est donnée par Glenn T. Seaborg. Hors d’une mer dont le niveau correspond à une énergie de liaison telle que la durée de vie des noyaux serait d’environ 1 seconde, émerge une péninsule dominée par les noyaux complètement stables et prolongée par un îlot centré sur A 漣 Z = 184 et Z = 114 (fig. 2).

Reste à examiner selon quelle loi les noyaux instables disparaissent au cours du temps. En effet, ces noyaux une fois formés ne peuvent évoluer vers des noyaux plus stables qu’au cours de modifications de structure qui demandent une certaine énergie. Autrement dit, il existe une barrière de potentiel entre le noyau initial et le noyau final, produit de la transmutation radioactive, de la même façon qu’un barrage empêche une masse d’eau placée à une altitude élevée de descendre vers la vallée. La pénétration à travers la barrière de potentiel peut cependant avoir lieu avec une probabilité plus ou moins grande, en raison des principes de mécanique ondulatoire qui régissent les particules nucléaires de très faibles dimensions (cf. mécanique QUANTIQUE). Au cours du temps, les occasions de pénétration s’accumulent et la désintégration radioactive finit par avoir lieu. Si l’on examine le comportement d’une grande quantité de noyaux, le nombre de noyaux disparaissant à chaque instant est d’autant plus grand que la probabilité de désintégration est plus voisine de 1. Si est cette probabilité, 漣 d N/dt =N. Si l’on part de ⁰ noyaux, le nombre de noyaux au bout du temps t sera N = ⁰ exp (face=F0019 漣t ). Cette loi de décroissance a été observée dès 1902 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy. Le temps T au bout duquel il ne reste plus que la moitié des noyaux est appelé « demi-vie ». Il est lié à par T = 0,693/. Plus les noyaux sont instables, plus leur «vie» est courte. Le nombre de désintégrations par seconde ou «activité» est d’autant plus grand que l’instabilité est grande. Cette décroissance est une loi plus simple que la plupart des lois cinétiques de réactions chimiques. Lorsqu’un noyau radioactif produit un fils lui-même radioactif, la loi de décroissance se complique. L’étude détaillée des décroissances radioactives est présentée dans l’article RADIOACTIVITÉ.

3. Transformation des noyaux stables en noyaux instables

Mécanismes des réactions nucléaires

En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie effectuèrent l’expérience suivante: en bombardant des noyaux stables d’aluminium ²⁷¹³Al, formés de 13 protons (nombre noté en bas à gauche) et de 14 neutrons (A = 13 + 14, noté en haut à gauche), par des particules alpha de 5 MeV, ils montrèrent que ces noyaux étaient transformés (transmutés) en noyaux d’un nouvel élément se comportant chimiquement non plus comme l’aluminium, mais comme le phosphore (Z = 15). Mais le nouvel élément formé était radioactif, c’est-à-dire émettait des rayonnements constitués d’électrons, tout comme certains radioéléments naturels connus, tel l’actinium. La première pierre du vaste édifice de la chimie nucléaire était posée. Cette réaction fut ensuite identifiée:

le noyau d’hélium, en pénétrant dans celui d’aluminium, a provoqué le départ d’un neutron. Les deux protons et le neutron restant ont conduit à un nouveau noyau disposant de 15 protons – comme celui de l’élément phosphore – et de 15 neutrons, alors que le phosphore stable naturel ³¹¹⁵P en possède 16. L’isotope 30 du phosphore, radioactif par émission 廓⁺, est le premier radio-isotope synthétisé; il est actuellement produit en quantités importantes, comme d’ailleurs l’isotope 32. Actuellement, on connaît plusieurs grands types de mécanismes de réactions nucléaires. L’étude des mécanismes de réaction, du bilan énergétique, de leur probabilité a été rendue possible grâce au développement des moyens permettant de réaliser ces réactions, c’est-à-dire des accélérateurs de particules chargées ^{[cf. IONS LOURDS (FAISCEAUX D')]} et des réacteurs nucléaires fournissant des flux de neutrons.

Les neutrons apparurent dès leur découverte comme un moyen très efficace de provoquer des transmutations et donc comme un agent privilégié. Emilio Segrè et Enrico Fermi soumirent un grand nombre d’éléments stables au flux des neutrons provenant de sources de polonium (émetteur 見)-béryllium et ralentis à de très faibles vitesses. En effet, les neutrons ne sont pas chargés et peuvent donc approcher les noyaux chargés sans qu’aucune répulsion électrostatique ne les repousse. Lorsqu’ils abordent les frontières du noyau, ils sont absorbés en perdant une fraction de leur masse et forment ainsi un nouveau noyau excité, qui évacue l’énergie par un rayonnement de photons électromagnétiques (rayons gamma). Le nouveau noyau formé possède un neutron de plus que le noyau stable de départ. Le rapport N/Z étant trop grand, ce nouveau noyau est radioactif, c’est-à-dire qu’il présente une probabilité de se désintégrer par émission 廓 size=1^漣 , en transformant un neutron en proton et en émettant un électron. La charge Z croît d’une unité. Un radio-isotope a été créé. Par exemple, la production de phosphore 32, très utilisé par les biologistes et les médecins, est obtenue à partir du phosphore stable (A = 31):

Si ce phosphore 32 est incorporé dans un milieu, il se comporte comme le phosphore naturel, mais peut être suivi partout où il passe grâce au rayonnement 廓 size=1^漣 qu’il émet. On se sert de ³² P comme d’un «traceur». Son activité d N/dt = A (t ) est proportionnelle au nombre de noyaux de phosphore présents. Le produit de cette désintégration est un noyau de l’élément suivant Z = 16, c’est-à-dire du soufre:

Dans les réacteurs nucléaires, la fission des noyaux lourds d’uranium ou de plutonium est accompagnée d’une émission de neutrons. Ces réacteurs fournissent donc des flux intenses de neutrons, par exemple de 10¹² à 10¹⁴ neutrons par centimètre carré et par seconde. Dans les «canaux à neutrons», on produit donc des radio-isotopes de presque tous les éléments selon ces réactions (n , 塚), qualifiées de «captures radiatives» et dont les caractéristiques ont été très étudiées.

Cependant, les réactions par neutron ne produisent pas toutes de nouveaux noyaux radioactifs. Par exemple, la capture radiative sur ¹⁶O donne ¹⁷O qui est stable. D’autre part, il est très difficile ou même impossible de provoquer des réactions induites par de très grandes énergies, car on ne dispose pas facilement de neutrons de plus de 20 MeV. Il est possible de fournir à un proton (noyau d’hydrogène), à un hélion (noyau d’hélium) ou à un ion de lithium, de carbone, d’oxygène, des énergies cinétiques très élevées, grâce aux effets conjugués de différence de potentiel électrique et de champ magnétique qui agissent sur la charge. Le développement des cyclotrons et de leurs dérivés plus modernes, les synchrocyclotrons et les cyclotrons isochrones, a donné un essor considérable à la chimie nucléaire, surtout depuis l’après-guerre.

Mais pour pénétrer dans un noyau cible de charge Z^c , la particule de charge Zⁱ (1 pour le proton, 2 pour l’hélion, 6 pour le carbone) doit vaincre la force de répulsion électrostatique proportionnelle à l’inverse du carré de la distance. Il faut donc fournir une énergie cinétique au moins égale au travail correspondant à cette force le long du trajet conduisant aux deux noyaux en contact, c’est-à-dire entre l’infini et la distance égale à la somme des deux rayons Rⁱ + R^c (rayon du projectile incident Rⁱ , rayon du noyau cible R^c ). Cette énergie minimale est appelée « barrière coulombienne» et est égale à:

Comme les noyaux sont approximativement des sphères de rayon r ⁰A^1/3, si r ⁰ est le rayon d’un nucléon et A le nombre de nucléons, et compte tenu des diverses unités, on trouve, en MeV:

B^c est, par exemple, d’environ 12 MeV pour un proton sur un noyau d’uranium.

L’étude des mécanismes des réactions nucléaires par particules chargées a été très poussée. Dans la plupart des cas, au moins pour les énergies inférieures à 100 MeV, il se forme un noyau de fusion, le noyau composé , dont la durée de vie est faible mais suffisante pour que le stade de cet intermédiaire soit distinct du stade suivant, celui de la désexcitation. En effet, le noyau composé renferme, sous forme d’énergie d’excitation, l’énergie cinétique incidente, à l’énergie de recul près. Cette énergie, distribuée de façon statistique entre tous les nucléons, porte ceux-ci à des niveaux excités d’énergie. Lorsqu’il arrive qu’un nucléon atteigne un niveau placé au-dessus de zéro, c’est-à-dire «non lié», il est émis. Les neutrons sont émis plus facilement que les protons, surtout pour les noyaux de Z élevé. Le résultat final est donc un nouveau noyau ayant perdu un, deux, trois, i neutrons, donc plutôt déficient en neutrons et radioactif par émission 廓⁺ ou par désintégration alpha. Par exemple, en bombardant du plomb par des particules alpha de 60 MeV, on produit d’abord un noyau composé de polonium 210, lequel perd ensuite (on dit «évapore») 4 neutrons. La réaction s’écrit:

Des réactions de plus en plus complexes ont été étudiées grâce à de nouveaux accélérateurs capables de porter à de grandes vitesses des ions provenant d’atomes stables, tels que Li, C, N, O, Ne, Ar, Fe, Cu, Kr, etc. En bombardant ainsi des noyaux déjà très lourds comme ²³²⁹⁰Th ou ²³⁸⁹²U par des ions d’oxygène ou de néon, on forme de nouveaux éléments artificiels appelés transuraniens , inconnus dans la nature, de numéro atomique au-delà de Z = 100 ^{[cf. TRANSURANIENS]}. La découverte la plus récente est celle de l’élément 107, obtenu par des savants allemands en bombardant une cible de bismuth par des ions de chrome:

Par ailleurs, l’utilisation de tous ces nouveaux projectiles a ouvert une branche nouvelle d’étude des réactions nucléaires entre noyaux complexes ^{[cf. IONS LOURDS (FAISCEAUX D')]}. Les collisions entre deux masses nucléaires importantes provoquent en effet toute une série de phénomènes qui étaient inobservables lorsque la sonde n’était constitutée que d’un seul nucléon. Les deux noyaux se collent l’un à l’autre en tournant et l’énergie cinétique est presque totalement transformée en chaleur interne. Cette matière nucléaire «excitée» subit ensuite des transformations qui conduisent à une séparation en fragments et en particules.

Lorsqu’une collision a lieu, on essaie d’explorer tout ce qui en résulte dans l’espace environnant. Des détecteurs, placés tout autour de la cible, identifient les produits de réaction. On essaie ensuite de reconstituer ce qui s’est passé au cours de ce choc violent. La matière nucléaire apparaît comme visqueuse, difficilement compréhensible, soumise à des ondes de propagation du choc. Auprès des accélérateurs d’ions lourds les plus modernes – Unilac (universal linear accelerator), à Darmstadt (R.F.A.) et G.A.N.I.L. (grand accélérateur national d’ions lourds), à Caen (France) –, un renouveau très important de la chimie nucléaire est apparu avec l’apport des techniques les plus modernes de traitement des informations.

Section efficace d’une réaction nucléaire

Toutes les réactions ne sont pas également probables. En premier lieu, il doit y avoir une collision entre la particule incidente et le noyau cible. Cette collision n’est généralement pas un simple choc géométrique. Si cela était vrai, la probabilité de la collision correspondrait à la surface du noyau cible de rayon R^c vue par le noyau bombardant de rayon Rⁱ , soit 靖 = 神 (Rⁱ + R^c )². La probabilité de collision serait le rapport de cette surface à une surface de référence, par exemple à 1 cm². Si dans 1 cm² se trouvent 類 noyaux, le nombre de collisions géométriques produites par 1 particule serait 類 靖1 cm² et, pour I particules, ce nombre deviendrait I 靖1 cm² 類.

Le nombre d’interactions ou la probabilité de collision sont donc des quantités liées à la surface 靖, appelée section efficace , notion essentielle introduite en chimie nucléaire, mais dont l’usage déborde maintenant ce domaine. Comme le rayon des noyaux est de l’ordre de 10 size=1^漣12 cm, la section géométrique est voisine de 10 size=1^漣24 cm². On appelle cette unité très faible le barn. Dans certains cas, la section efficace de rencontre est beaucoup plus élevée que 神 (Rⁱ + R^c )², c’est-à-dire que la section efficace géométrique. Par exemple, la section efficace de capture radiative (n , 塚) pour les neutrons très lents peut atteindre pour certains noyaux plusieurs milliers de fois la section géométrique. Cela pourrait signifier que, même lorsqu’un neutron passe à plusieurs centaines de rayons du noyau, il est tout de même happé par lui. En réalité, pour des particules d’aussi faibles dimensions, les notions habituelles de collision ne sont plus correctes. Le neutron se comporte un peu comme une onde lumineuse, mais dont la longueur d’onde serait = h/m v, où h est la constante de Planck et m v le produit de la masse par la vitesse du neutron (quantité de mouvement). Cette onde agit avec le centre nucléaire et peut être réfractée puis absorbée par lui avec une section efficace égale à²/2 神, que l’on écrit aussi 2 神² (si =/2 神). Lorsque les particules ont une grande énergie, ou sont lourdes, la quantité m v est grande, donc devient petit et comparable aux dimensions géométriques du noyau, c’est-à-dire au barn. La section efficace de collision devient:

pour une particule neutre, et:

pour une particule chargée d’énergie 﨎 et de barrière coulombienne B. Le facteur 1 漣 B/ 﨎 correspond à l’effet de répulsion qui éloigne du noyau les particules chargées dont les trajectoires ne passent pas par le centre du noyau cible.

Lorsque la collision a lieu avec la section efficace 靖^c , diverses réactions sont possibles et leurs probabilités relatives sont données sous forme de sections efficaces partielles. Par exemple, lorsqu’un noyau de carbone rencontre un noyau d’argent, la section efficace totale est d’environ 1 barn. 0,5 barn environ correspond à peu près à l’absorption du carbone dans le noyau d’argent pour former un nouveau noyau de xénon. Pour 0,2 barn, le noyau de carbone frôlera le noyau d’argent en lui cédant quelques nucléons de sorte qu’il apparaîtra diminué en masse et en énergie, etc. On conçoit donc que, dès que des considérations quantitatives entrent en jeu, la notion de section efficace est indispensable.

Pour illustrer quantitativement la faible probabilité des rencontres nucléaires, on peut reprendre le vieux rêve des alchimistes de produire de l’or. En bombardant du mercure (presque aussi vil que le plomb!) par des neutrons rapides, on provoque la réaction (n , 4 n ) avec une section efficace de 0,2 barn (2.10 size=1^漣25 cm²):

197Hg, par émission 廓⁺, se transforme en ¹⁹⁷⁷⁹Au, l’isotope stable d’or. Avec un flux de neutrons très intense de 10¹⁴ neutrons par seconde et par centimère carré, on irradie 200 g de mercure, soit environ 6 憐 10²³ noyaux. On produit ainsi 靖﨏 類 = 2 憐 10^-25 憐 10¹⁴ 憐 6.10²³ = 12 憐 10¹² noyaux d’or par seconde, soit environ 4 憐 10 size=1^漣9 g, et il faudrait un an de cette irradiation pour produire 120 mg d’or. Si l’on songe au coût d’un réacteur susceptible de fournir les 10¹⁴ neutrons par seconde et par centimètre carré, on voit que les chercheurs d’or ne sont pas encore concurrencés sérieusement par les alchimistes modernes. Par contre, certains nouveaux éléments qui n’existent ni dans le lit des rivières ni dans les mines les plus riches, tels le technétium (élément 43) et surtout le plutonium, l’américium, le californium, sont produits «industriellement» dans les réacteurs à haut flux.

4. Découverte et exploitation de la fission nucléaire

En 1934 et 1938, les chimistes nucléaires comme Emilio Segrè, Irène Joliot-Curie et Otto Hahn pensaient qu’en irradiant avec des neutrons le dernier élément alors connu, l’uranium (Z = 92), on pourrait créer le premier des transuraniens de numéro atomique 93, qu’ils appelaient eka-rhénium car ses propriétés chimiques auraient dû ressembler à l’homologue plus léger du tableau périodique, le rhénium. En effet, on a vu que la capture (n , 塚) est suivie d’une émission 廓 漣 qui augmente le numéro atomique d’une unité. D’un autre côté, les physiciens comme Pierre Curie avaient prédit qu’un noyau lourd, celui d’uranium par exemple, est moins stable que deux noyaux plus légers et que la réaction nucléaire qui provoquerait l’éclatement en deux fragments libérerait en même temps une énergie importante. Enfin, il existe dans la nature deux isotopes d’uranium: l’un, de A = 238, est de beaucoup le plus abondant (99,3 p. 100); l’autre, A = 235, ne subsiste plus qu’en faibles proportions (0,7 p. 100). En recherchant l’eka-rhénium produit à partir de ²³⁸⁹²U, Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrirent un phénomène très différent, libérateur d’énergie, qu’ils dénommèrent «fission» et qui, provoqué par des neutrons lents, ne se produit que sur l’isotope ²³⁵⁹²U.

Lorsqu’un neutron pénètre sans énergie dans un noyau d’uranium 235, son énergie de liaison est suffisante pour que le noyau formé, ²³⁶U, se déforme et, telle une goutte liquide, finisse par se rompre en deux fragments plus légers. Pour l’isotope 238, l’énergie de liaison du neutron est plus faible dans ²³⁹U que dans ²³⁶U et la déformation critique conduisant à deux fragments ne peut être atteinte.

Les deux fragments ne sont pas toujours les mêmes, autrement dit les voies de fission sont multiples. De plus, dans la plupart des cas, la fission n’est pas symétrique, mais il y a un fragment léger et un fragment lourd. Tous les éléments du tableau périodique entre le zinc et le dysprosium sont produits par la fission, mais sous forme d’isotopes riches en neutrons donc instables par émission 廓 size=1^漣. Parmi eux, un élément jusqu’ici inconnu sur terre, le prométhéum (Z = 61), a été découvert. Les rendements les plus élevés sont obtenus pour la région du brome-krypton-zirconium et celle, complémentaire, de l’iode-xénon-baryum. Le travail de séparation et d’identification des divers produits de fission a été effectué, surtout de 1939 à 1942, par les chimistes américains groupés autour d’un vaste projet appelé le « Manhattan project ». Des centaines de radio-isotopes ont été séparés et étudiés, en particulier dans la région des lanthanides. De nouvelles méthodes de séparation chimique et de détection de rayonnements ont été mises au point ou développées, comme par exemple la chromatographie sur colonnes échangeuses d’ions et l’extraction par solvant. Parallèlement, des études ont été menées pour mieux comprendre le mécanisme du phénomène de fission, avec l’aide de grands théoriciens comme Niels Bohr. La mesure de l’énergie cinétique des fragments a montré que l’énergie potentielle correspondant à la différence de masse entre le noyau ²³⁶U et les deux fragments apparaissait surtout sous forme d’énergie cinétique, les deux fragments s’éloignant l’un de l’autre à une grande vitesse. Par conséquent, la perte de masse nucléaire pouvait être ainsi transformée en chaleur, puis en énergie utilisable. En moyenne, 160 MeV étaient rendus disponibles par fission. Le reste de l’énergie apparaissait sous forme de rayonnements gamma et surtout, fait extrêmement intéressant, sous forme d’émission de neutrons, quelquefois 1, souvent 2, 3 ou 4, rarement 5 ou 6. Le nombre de neutrons émis en moyenne par fission a été trouvé égal à 2,47. Cela signifie que chaque fission produit les moyens d’amorcer une autre fission et que l’énergie libérée à chaque fission d’un noyau peut être très rapidement multipliée par le nombre total des noyaux d’uranium présents, à condition que tous appartiennent à l’isotope 235. Fort heureusement pour notre planète, qui sans cela aurait explosé depuis longtemps, la proportion de cet isotope est faible et les neutrons issus d’une fission ont toutes chances d’être captés dans un noyau ²³⁸U, lequel par réaction (n , 塚) donne ²³⁹U qui ne fissionne pas. Pour l’exploitation de l’énergie nucléaire, Frédéric Joliot-Curie et ses collaborateurs en France, Enrico Fermi aux États-Unis, Otto Hahn en Allemagne, essayèrent en 1939 de trouver les conditions qui permettent aux neutrons issus d’une fission de ²³⁵U d’éviter les noyaux d’uranium 238 et, après avoir été ralentis, de provoquer à nouveau une nouvelle fission dans un des rares noyaux d’uranium 235 présent. Le premier réacteur fut construit en 1940 à Chicago par Leo Szilard et Enrico Fermi sous forme d’un empilement de barres d’uranium et de blocs de graphite très pur (cf. énergie NUCLÉAIRE). Le rôle des chimistes nucléaires a été fondamental dans le développement des réacteurs. En effet, il faut non seulement trouver les conditions très strictes des proportions de matériau fissile (uranium 235) et de modérateurs (graphite, eau lourde), mais encore périodiquement traiter l’uranium dans lequel les fragments de fission s’accumulent et finissent par devenir des «poisons» capteurs de neutrons et susceptibles d’arrêter le réacteur: c’est le recyclage du combustible nucléaire, qui est pratiqué régulièrement et au cours duquel on élimine les déchets de fission très radioactifs.

Deux ans après la découverte de la fission, l’élément «eka-rhénium» fut pourtant découvert. En réalité, il ne présentait aucune des propriétés de rhénium et fut baptisé neptunium. Radioactif, cet élément 93 a pour fils le plutonium (Z = 94). La réaction découverte était la suivante:

On produit maintenant des tonnes de plutonium, nouvel élément entièrement synthétique. Même s’il y a eu du plutonium naturel, celui-ci a complètement disparu depuis la création de la Terre, car sa demi-vie est trop courte (2,44 憐 10⁴ ans). L’intérêt du plutonium 239 est sa fissibilité, c’est-à-dire que, comme ²³⁵U, il subit la fission par neutrons lents. Il est donc utilisé pour construire des réacteurs ou des bombes nucléaires, puisque après séparation chimique de l’uranium on obtient un matériau constitué de noyaux d’un seul isotope fissile, dans lequel les neutrons ne sont pas captés par des noyaux non fissiles et peuvent provoquer des fissions en chaîne dans la totalité des noyaux.

5. Origine des éléments naturels

Dans l’Univers, on a pu mesurer en différents points – système solaire, certaines étoiles, rayonnement cosmique – l’abondance relative des éléments, par exemple du carbone, de l’oxygène, du fer ou du plomb, ainsi que les proportions des différents isotopes pour chaque élément. Ces abondances ne sont pas les mêmes partout et on a pu classer plusieurs types d’étoiles selon les proportions de certains éléments. Ce classement est lié aux processus de synthèse qui ont lieu et sont déterminés par l’âge de l’étoile, le déroulement de son évolution, sa température. En effet, la fabrication des éléments dans l’étoile dépend de l’énergie dissipée. Les deux sources d’énergie sont l’énergie gravitationnelle liée à la contraction des masses gazeuses (pesanteur) et l’énergie nucléaire libérée par les réactions exoénergétiques.

Tous les éléments ont été synthétisés à partir d’un immense nuage d’hydrogène (de 10⁵⁵ à 10⁵⁷ noyaux) situé au centre de la Galaxie. Les forces gravitationnelles ont créé des amas plus concentrés de protons et ont conféré des vitesses suffisantes pour que les énergies cinétiques permettent de vaincre les répulsions coulombiennes entre les charges des protons et pour rendre possibles les réactions nucléaires entre deux protons. Dans ces conditions, l’«allumage» du système, aux environs de 1 million de degrés, devient possible. La réaction intervenant a été étudiée en laboratoire:

le deutérium formé, lorsqu’il est en quantité suffisante, initie ensuite des réactions exothermiques ²¹H + ¹¹H³²He + 塚 et ³²He + ³²He⁴²He + 2 ¹¹H qui élèvent la température. Ainsi dans les étoiles naissantes s’accumule de l’hélium, premier noyau complexe. Chaque formation de ⁴He dégage 26 MeV. L’étoile rayonne une partie de l’énergie ainsi créée, mais, en son centre, la chaleur produite permet une agitation de plus en plus forte des noyaux d’hélium et d’hydrogène. Les vitesses acquises sont telles que les barrières coulombiennes de ⁴²He sur ⁴²He peuvent être franchies et le carbone commence à être synthétisé avec dégagement supplémentaire d’énergie:

Les noyaux sont plus lourds et la contraction sous l’influence des forces gravitationnelles s’accroît. Le «cycle de Bethe» est alors possible qui synthétise encore plus d’hélium, comme cela a lieu au centre du Soleil.

les noyaux formés ensuite sont dus aux réactions par particules alpha ¹²C + ⁴He¹⁶O puis ¹²C + ¹²C²⁴Mg, lorsque la température atteint 1 milliard de degrés. Ainsi les éléments les plus abondants après l’hélium et le carbone, tels l’oxygène, le sodium, le magnésium, le silicium, le soufre, le calcium, le titane, le fer, s’accumulent dans les étoiles vieillissantes.

Au-delà du fer, les réactions de fusion sont endothermiques. Mais la température est suffisamment élevée pour que les particules alpha provoquent des réactions de type ( 見, n ) donc deviennent ainsi une source de neutrons. Le flux de neutrons élevé, ainsi créé secondairement, serait alors à l’origine de la création des éléments plus lourds que le fer, dont la synthèse est pourtant endothermique. C’est le processus utilisé dans les laboratoires, qualifié de capture radiative ou «processus lent». En effet, les neutrons rencontrant des noyaux stables d’un numéro atomique donné, par exemple 27 (cobalt), sont captés et l’isotope plus lourd est produit: ⁵⁹²⁷Co (n , 塚) ⁶⁰²⁷Co. Mais ce nouveau cobalt est émetteur 廓 size=1^漣, c’est-à-dire dans ce noyau un neutron devient proton. 降 augmente donc d’une unité et l’élément suivant est formé. De proche en proche, on peut atteindre avec une probabilité de plus en plus faible les éléments lourds comme le plomb (Z = 82) et le bismuth (Z = 83).

Au-delà du bismuth, le polonium (Z = 84) est instable. La synthèse des éléments plus lourds ne peut donc être faite par capture lente d’un neutron. Le processus imaginé alors a été effectivement observé lors de l’explosion des bombes thermonucléaires. En raison du très grand flux de neutrons, plusieurs d’entre eux peuvent pénétrer dans un noyau relativement stable. On produit alors un noyau très riche en neutrons, par exemple ²³⁸U + n²³⁹U, puis ²³⁹U + n²⁴⁰U, puis ainsi de suite jusqu’à ²⁵²U à la condition que la capture de neutron soit plus rapide que la décroissance 廓^-. Lorsque l’on atteint la limite, une série de décroissance 廓^- conduit par exemple après six filiations au californium 252, qu’on pense avoir observé aussi bien dans les débris des explosions nucléaires que dans certaines étoiles très riches en neutrons (explosions de supernovae). Ainsi s’expliquerait la création du radium, du thorium, de l’uranium et éventuellement d’éléments transuraniens, mais seuls sur terre auraient subsisté l’uranium et le thorium, de vie assez longue, et leurs produits de filiation, le protactinium (Z = 91), l’actinium (Z = 89), le radium (Z = 88), le francium (Z = 87), le radon (Z = 86), le polonium (Z = 84).

6. Applications de la chimie nucléaire. Nouveaux éléments et radio-isotopes

L’étude de la stabilité et de l’instabilité des noyaux et des mécanismes de réaction entre noyaux est restée pendant quelque temps une recherche de caractère fondamental permettant d’accroître nos connaissances sur la matière à son niveau le plus intime et le plus condensé. Mais la découverte de la fission et de son contrôle a montré de quelle importance pouvaient être les applications de cette science fondamentale. Parmi les autres applications qui envahissent rapidement les techniques modernes, on peut rappeler l’analyse par activation (cf. RADIOÉLÉMENTS ET RAYONNEMENTS IONISANTS – Analyse par radioactivation) et la production de nouveaux isotopes synthétiques, aux propriétés très spéciales.

L’analyse par activation rend de plus en plus de services à tous les chimistes et biochimistes désirant doser des traces d’éléments ou préparer des corps très purs. Elle permet souvent, sans détruire l’échantillon, de détecter et de mesurer la concentration d’impuretés pour des proportions inférieures au milliardième. Par exemple, les métallurgistes l’utilisent pour connaître l’importance de traces de carbone, d’azote, d’oxygène dans certains matériaux métalliques très purs. Les biologistes détectent les traces d’oligo-éléments dont l’importance peut être grande dans le métabolisme. Les fabricants de semiconducteurs contrôlent par elle la pureté du silicium ou du germanium, les quantités de dopants introduites. Les spécialistes de la pollution atmosphérique disposent de cet outil ultra-sensible pour découvrir la nature du facteur de pollution, pour mesurer son évolution, etc.

Le principe de l’analyse par activation est la base même de la chimie nucléaire. En bombardant des noyaux stables par un flux de particules choisies à cet effet, on les transforme en noyaux instables, donc radioactifs et décelables par leur rayonnement. Il est alors possible de détecter quelques noyaux, donc quelques atomes, alors que les analyses chimiques les plus sensibles ne sont possibles que pour des concentrations de 10 size=1^漣6, c’est-à-dire quelque 10¹⁶ atomes. Les impuretés, transformées en atomes radioactifs, sont ainsi révélées. Le rayonnement émis est lui-même souvent très spécifique des noyaux produits, de sorte qu’avec quelques précautions on peut avoir la signature précise de l’impureté. Comme le rappelle C. D. Coryell, les accélérateurs de particules ou les réacteurs fournisseurs de neutrons ressemblent au roi Midas: tout ce qu’ils touchent, s’il ne devient pas d’or, est rendu radioactif. Les progrès récents concernant les détecteurs de rayonnement gamma (cristaux de germanium-lithium) ont élargi encore les perspectives de l’analyse par activation.

Signalons quelques synthèses de nouveaux éléments et d’isotopes radioactifs.

Dans le tableau périodique des éléments, trois cases restaient vides. Aucun chimiste n’avait pu trouver d’élément 43, d’élément 61 ni d’élément 85. En réalité aucun d’eux n’existe sur terre. C’est par réaction de deutons sur le molybdène que Perrier et Segrè synthétisèrent l’élément 43 qu’ils baptisèrent technétium: ⁴²Mo (d , n ) ⁴⁸Tc. Le prométhéum (Z = 61), l’une des terres rares, fut trouvé par Marinsky, Glendenin et Coryell parmi les produits de fission de l’uranium. Enfin, en bombardant du bismuth ²⁰⁹⁸³Bi par des particules alpha, Segrè découvrit l’astate, le plus lourd des halogènes (homologue de l’iode), ²¹¹⁸⁵At.

Cependant, les plus intéressants des éléments synthétisés par l’homme se situent au-delà du dernier des éléments naturels, l’uranium. Outre le neptunium (Z = 93) et le plutonium (Z = 94) dont l’intérêt a déjà été souligné, on a produit, soit par bombardement de neutrons ou de particules alpha, soit par faisceaux d’ions tels C, N, O, Ne, les éléments transuraniens de numéro atomique compris entre 95 et 107. Parmi eux, citons le californium (Z = 98), dont un isotope (A = 252) fissionne spontanément et libère à chaque fission 3,82 neutrons. Ils constituent une source d’énergie de faible encombrement ainsi qu’une source de neutrons utilisable pour de nombreuses applications.

Soulignons aussi le succès des générateurs à plutonium 240 qui ont fonctionné sur la Lune et du stimulateur cardiaque mû par une source de plutonium 238, émetteur de particules alpha, dont la demi-vie est de 86,4 ans.

Enfin, certaines applications prennent une ampleur immense avec l’étude des éléments superlourds. Les prévisions indiquent des propriétés très intéressantes de ces noyaux du point de vue de la réserve énergétique et de l’émission de neutrons.

Depuis le jour où Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie pressentirent qu’une énergie considérable existait à l’état potentiel dans certains noyaux et que ces édifices étaient transformables, comme les molécules, à la condition de disposer de moyens plus puissants, la chimie nucléaire a progressé à pas de géant. Les principales étapes de son développement ont été la découverte de la radioactivité artificielle, l’essor des accélérateurs de particules chargées, la découverte de la fission et la fourniture de flux intenses de neutrons, et enfin, depuis 1945, la synthèse des éléments lourds inconnus dans la nature, les transuraniens. Les applications les plus spectaculaires sont l’exploitation de la fission comme source d’énergie, la micro-analyse des traces par activation, la production de nombreux radio-isotopes utilisés comme traceurs en biologie, chimie, géologie, etc. Les méthodes et les moyens utilisés ont beaucoup changé. Les expériences deviennent de plus en plus complexes et font appel à des techniques de chimie mais aussi d’électronique, d’informatique, comme pour toutes les branches de la science vivantes et en pleine expansion. Une simple comparaison entre le schéma de l’expérience des Joliot découvrant la radioactivité artificielle (fig. 4) et la photographie du dispositif mis en place à Orsay pour la recherche de nouveaux éléments transuraniens très lourds montre l’évolution technique. C’est pourquoi la chimie nucléaire ne peut être menée à bien actuellement que dans les grands centres nucléaires disposant de moyens puissants et en particulier d’accélérateurs de particules. Les principaux de ces centres se trouvent aux États-Unis à Berkeley, à Chicago, à Yale, à Brookhaven (N.Y.), à Oak Ridge; en Russie à Saint-Pétersbourg, Moscou, Dubna; en Allemagne à Berlin, Heidelberg, Francfort, Karlsruhe, Darmstadt; en Angleterre à Daresburry et en France à Orsay, Saclay, Grenoble, Strasbourg et Caen.

Encyclopédie Universelle. 2012.