Les éléments les plus lourds du tableau périodique modifient la théorie de la mécanique quantique

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Une équipe internationale de chimistes dirigée par des chercheurs de la Florida State University a découvert que la théorie de la mécanique quantique n’explique pas de manière adéquate le fonctionnement des 21 derniers éléments du tableau périodique. En revanche, une autre théorie scientifique bien connue – la théorie de la relativité d’Albert Einstein – contribue à régir le comportement de ces éléments.

Tableau périodique des éléments.

Tableau périodique des éléments.

La mécanique quantique est essentiellement les règles qui régissent le comportement des atomes et explique entièrement le comportement chimique de la plupart des éléments du tableau périodique.

Mais le professeur Thomas Albrecht-Schmitt, de l’université d’État de Floride, et ses co-auteurs ont découvert que ces règles sont quelque peu annulées par la théorie de la relativité d’Einstein lorsqu’il s’agit des éléments les plus lourds et les moins connus du tableau.

“C’est presque comme si l’on se trouvait dans un univers alternatif parce que l’on observe une chimie que l’on ne voit tout simplement pas dans les éléments de tous les jours”, a déclaré le professeur Albrecht-Schmitt.

L’équipe a fabriqué des composés à partir de berkélium – un élément chimique radioactif de symbole Bk et de numéro atomique 97 – qui ont commencé à présenter une chimie inhabituelle.

Ils ne suivaient pas les règles normales de la mécanique quantique.

Plus précisément, les électrons ne s’organisaient pas autour des atomes de berkélium comme ils le font autour d’éléments plus légers tels que l’oxygène, le zinc ou l’argent.

En général, les chimistes s’attendent à voir les électrons s’aligner de manière à ce qu’ils soient tous orientés dans la même direction. Cela détermine la façon dont le fer agit comme un aimant, par exemple.

Cependant, ces règles simples ne s’appliquent pas aux éléments à partir du berkélium et au-delà, car certains électrons s’alignent de manière opposée à ce que les chimistes ont prédit depuis longtemps.

Photomicrographie en fausses couleurs du premier échantillon massif isolé (1,7 microgrammes) de berkélium. Crédit image : Oak Ridge National Laboratory.

Photomicrographie en fausses couleurs du premier échantillon global isolé (1,7 microgrammes) de berkélium. Crédit image : Oak Ridge National Laboratory.

Le professeur Albrecht-Schmitt et ses collègues ont réalisé que la théorie de la relativité d’Einstein expliquait en fait ce qu’ils voyaient dans les composés de berkélium.

Selon la théorie de la relativité, plus un objet ayant une masse se déplace rapidement, plus il devient lourd.

Comme le noyau de ces atomes lourds est hautement chargé, les électrons commencent à se déplacer à des fractions significatives de la vitesse de la lumière. Ils deviennent alors plus lourds que la normale, et les règles qui s’appliquent généralement au comportement des électrons commencent à s’effondrer.

“C’était ‘exaltant’ lorsque nous avons commencé à observer la chimie”, a déclaré le professeur Albrecht-Schmitt.

“Quand vous voyez ce phénomène intéressant, vous commencez à vous poser toutes ces questions, par exemple comment le rendre plus fort ou l’éteindre”.

“Il y a quelques années, personne ne pensait même que l’on pouvait fabriquer un composé de berkélium”.

La recherche est publiée dans le Journal of the American Chemical Society.

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