Dans le cadre d’expériences révolutionnaires menées à l’installation de production d’isotopes radioactifs ISOLDE au CERN, une équipe de recherche multinationale a étudié la structure atomique de l’astate (At), l’atome le plus rare de notre planète.
Source d’ions du laser d’ionisation par résonance d’ISOLDE (CERN)
L’astate a été découvert par D. Corson et ses collègues en 1940 en bombardant une cible de bismuth avec des particules alpha. L’isotope le plus stable de cet élément a une demi-vie de seulement 8,1 heures. En 1964, McLaughlin a étudié un échantillon de 70 ng d’isotopes radioactifs d’astate produits artificiellement et a été le premier à observer deux lignes spectrales dans la région UV. En dehors de cela, aucune autre donnée sur le spectre atomique de l’astate n’était connue avant les expériences ISOLDE.
L’astate présente également un intérêt significatif car ses propriétés de désintégration en font une source de rayonnement à courte portée idéale pour la thérapie alpha ciblée dans le traitement du cancer.
Écrit dans le journal Nature Communicationsle groupe ISOLDE a mesuré pour la première fois le potentiel d’ionisation de l’atome d’astate. Il s’agit de la quantité essentielle définissant les propriétés chimiques et physiques de cet élément exclusivement radioactif. Ces résultats comblent une lacune de longue date dans le tableau périodique de Mendeleïev, puisque l’astate était le dernier élément présent dans la nature pour lequel cette propriété fondamentale était inconnue. En tant qu’énergie de liaison de l’électron de valence le plus externe, l’énergie d’ionisation atomique est très importante pour la réactivité chimique d’un élément et, indirectement, pour la stabilité de ses liaisons chimiques dans les composés.
“L’astate présente un intérêt particulier car ses isotopes sont des candidats intéressants pour la création de produits radiopharmaceutiques destinés au traitement du cancer par alpha thérapie ciblée. La valeur expérimentale de l’astate sert également à évaluer les théories utilisées pour prédire les propriétés atomiques et chimiques des éléments super-lourds, en particulier l’élément 117 récemment découvert, qui est un homologue de l’astate”, a expliqué le professeur Andrei Andreyev de l’université de York.
Selon les physiciens d’ISOLDE, le potentiel d’ionisation de l’atome d’astate est de 9,31751(8) eV.
A ISOLDE, les isotopes à courte durée de vie créés dans les réactions nucléaires induites par un faisceau de protons à haute énergie sont libérés du matériau cible et peuvent immédiatement interagir avec les faisceaux laser à l’intérieur de la cavité chaude de la source d’ions laser.
Une fois que les longueurs d’onde des lasers sont accordées en résonance avec les transitions atomiques sélectionnées, les atomes sont excités par étapes et ionisés en raison de l’absorption de plusieurs photons dont l’énergie totale dépasse le seuil d’ionisation.
Parmi celles-ci, on trouve l’étude des nucléides à vie courte par spectroscopie d’ionisation par résonance à la source, qui utilise une détection très sensible de la désintégration nucléaire. Les premiers ions d’astate ionisés par laser ont été observés et identifiés par leur désintégration alpha caractéristique dans ces expériences. Le seuil d’ionisation de l’astate a également été trouvé en balayant la longueur d’onde du laser UV ionisant.
Une deuxième phase de l’étude du spectre atomique de l’astate a eu lieu dans une installation d’isotopes radioactifs au Canada, où de nouvelles transitions optiques dans la région infrarouge du spectre ont été découvertes. Grâce à ces nouvelles transitions, un schéma d’ionisation en trois étapes très efficace de l’astate a été défini et utilisé à ISOLDE pour poursuivre l’étude du spectre de l’astate. L’équipe a sondé la région intéressante autour du seuil d’ionisation et a trouvé une série de résonances hautement excitées, connues sous le nom d’états de Rydberg. A partir de ce spectre, le premier potentiel d’ionisation de l’astate a été extrait avec une grande précision.
“La spectroscopie laser en source est aujourd’hui une méthode très sensible pour étudier les propriétés atomiques des isotopes exotiques à courte durée de vie. Pour les éléments produits artificiellement, comme les super-lourds, cela pourrait être un véritable moyen de sonder leurs spectres”, a déclaré le Dr Valentine Fedosseev du CERN.
“Ce développement permet d’étudier plusieurs nouveaux phénomènes, tels que la taille (rayons) des noyaux d’astate, ainsi qu’un type très exotique de fission nucléaire. Notre collaboration a récemment lancé une série d’expériences pour atteindre ces objectifs”, a ajouté le professeur Andreyev.
