Comment transformer le plomb en or ? 14


Une fois de plus ma paresse me pousse à traduire un article de « Ask a Physicist » répondant à la question suivante:

Avec la technologie moderne, sommes-nous plus près de transformer le plomb en or que les alchimistes il y a quelques siècles ?

La question originale était : « Avec la technologie actuelle, est-il maintenant possible de transformer le plomb en or, ou n’importe quel élément en une autre ? Quelles transmutations les anciens alchimistes auraient-ils du tenter pour aboutir à un succès ?

Réponse du Physicien : le plomb en or, non. Mais on peut changer quelques éléments en d’autres. Le rendement est extraordinairement faible, et le processus est prohibitivement coûteux. Avant la fin du XIXème siècle, personne n’avait observé un élément se transformant en un autre, et jusqu’au XXème il n’y avait aucun équipement sur Terre qui ait eu la moindre chance de changer (volontairement) un élément en un autre.

En remontant au temps où les chimistes (ou alchimistes) sont devenus capables de purifier des échantillons et de fabriquer des produits variés, ils ont eu la prétention de transformer des matières en d’autres.

Mais alors que vous pouvez utiliser des réactions chimiques pour transformer l’hydrogène et l’oxygène en eau, ou de la farine et de l’eau en pain, il n’y a aucune combinaison de produits et de réactions chimiques qui ne peut ne serait-ce que commencer à transmuter un élément en un autre. Les alchimistes de cette époque, inconscients de ceci, furent très excités par la transformation du plomb en or, la pierre philosophale et la création de vie à partir de rien. Nombre d’entre eux étaient des scientifiques reconnus de leur temps, dont nous, scientifiques d’aujourd’hui, avons hérité certains symboles et raccourcis, mais pour l’essentiel pas les méthodes.

Newton loved himself some alchemy.

Newton se passionnait pour l’alchimie. Il inventa le calcul infinitésimal et fonda la physique moderne, mais il chercha aussi le Saint Graal et poursuivit d’autres projets un peu fous.

Les diverses molécules chimiques sont différentes car elles utilisent différentes combinaisons des éléments, mais les éléments et leurs isotopes diffèrent entre eux par le nombre de protons et de neutrons qui forment leur noyau atomique.

Il y a trois principales manières de changer le nombre de protons et de neutrons d’un noyau atomique : la fusion, la décroissance radioactive et le bombardement par des neutrons.

Fusion is tricky.

La fusion, c’est tout un art…

En pratique, la fusion pose des problèmes. A ce jour, nous avons réussi à fusionner du deutérium (isotope de l’hydrogène) en hélium, ce qui est la fusion la plus facile. Et encore nous y arrivons de justesse, au milieu de très grosses bombes.  Pour produire de l’or par fusion comme la nature l’a justement fait, il nous faudrait une supernova, ce qui n’est pas dans nos moyens.

Beaucoup d’atomes ont un noyau instable qui va parfois faire « pop » en se transformant en un autre élément ou isotope. Donc techniquement, être patient est une manière de transformer un échantillon d’une matière en une autre.

Commencez avec de l'Uranium 235, attendez quelques milliards d'années, et vous aurez du plomb.

Commencez avec de l’Uranium 235, attendez quelques milliards d’années, et vous obtiendrez du plomb.

Malheureusement. le matériau de départ doit être radioactif.  Les atomes radioactifs « décroissent » jusqu’à ce que le nombre de leurs protons et de leurs neutrons s’équilibrent selon une certaine loi, et pour les éléments lourds l’équilibre parfait est presque atteint avec le plomb ou le thallium.

La dernière manière de transformer un isotope en un autre est la seule que nous sommes capables d’utiliser et de contrôler : le bombardement neutronique. Ce n’est pas la meilleure solution, mais c’est la seule que nous ayons. L’idée est que les neutrons étant électriquement neutres (d’où leur nom), ils peuvent rejoindre le noyau atomique sans être repoussés par le noyau, chargé positivement. Cette répulsion empêche la technique de fonctionner avec des protons, et c’est d’ailleurs ce qui rend la fusion si difficile.

On utilise déjà le bombardement neutronique pour produire du plutonium à partir d’uranium. Bombarder un échantillon avec des neutrons rend ses atomes presque toujours plus radioactifs, ce qui les fait parfois muer en éléments supérieurs par désintégration β-. La technique est donc du type « bombarder et attendre ». Dans certains cas, les atomes sont si radioactifs qu’ils se brisent aussitôt, et s’ils produisent une giclée de neutrons, vous avez la recette d’une bombe, ou d’une centrale nucléaire.

Voici une carte de tous les isotopes connus et de leur réaction de désintégration radioactive préférée (beaucoup d’isotopes peuvent se désintégrer de plusieurs manières) :

All of the isotopes, with the number of neutrons increasing as you go up, and the number of protons increasing to the right.

tous les isotopes, avec le nombre de neutrons sur l’axe X et le nombre de protons sur l’axe Y. Les points noirs sont les isotopes stables  (cliquer pour un poster à très haute résolution [14Mb])

Les différentes couleurs indiquent les modes de désintégration. Par exemple le rose est la désintégration  β+  dans laquelle un proton se change soudain en neutron en émettant un positron (anti-électron) qui est la « radiation » que l’on peut détecter. Donc sur la carte, les isotopes roses transmutent en se décalant en diagonale vers le bas et à droite, en perdant un proton et gagnant un neutron.

Règle du jeu : tout ce qu’on peut faire c’est décaler une petite fraction d’un isotope d’une case vers la droite en lui ajoutant des neutrons, et attendre les désintégrations naturelles…

En consultant la carte, vous pouvez voir quels éléments peuvent raisonnablement être produits à partir d’autres par bombardement neutronique. Par exemple, en regardant la petite portion de la carte ci-dessous, vous pourriez envisager créer de l’or en bombardant du platine 196, qui est juste en dessous de l’or 197, le seul isotope stable de l’or. Ca lui ajouterait un neutron qui le transformerait en platine 197, subissant ensuite une désintégration β- qui le décalerait d »une case en haut à gauche, le transformant en or. Cette désintégration β- a une demi-vie d’environ 20 heures, donc après irradiation du platine il suffit d’attendre quelques jours pour extraire des traces d’or de votre échantillon de platine. Il existe aussi une transmutation du mercure en or, réalisée en 1941 déjà.

Mais le plomb est mal placé pour former de l’or. Par bombardement neutronique on peut le décaler vers la droite, mais les chemins des désintégrations radioactives successives de tous les isotopes ainsi formés reviennent soit au plomb, soit au bismuth.

Tout ce qu’on peut faire avec le plomb c’est de lui ajouter des neutrons (flèches blanches), mais les désintégrations naturelles le ramènent au plomb ou au bismuth.

Donc en utilisant la seule et unique technique dont nous disposons, nous ne pouvons pas transformer le plomb en or. Même pas un tout petit peu. Du platine ou du mercure oui, mais du plomb non*

Finalement, les processus de transmutation du platine ou du mercure en or sont considérablement plus chers et dangereux que creuser le sol pour en extraire l’or. Entre autres accessoires, il vous faudra une source de neutrons qui est en général un bout de métal extrêmement radioactif, cher et illégal. Sinon, un accélérateur à plusieurs milliards peut aussi faire l’affaire. Il existe des manières plus simples de perdre de l’argent…

Note:

Le temps de traduire l’article, quelqu’un a mentionné dans les commentaires de l’article original que Seaborg a transmuté quelques centaines d’atomes de bismuth en or en 1980

  • Pingback: Comment transformer le plomb en or ? | Philippe TREBAUL on LINKED IN (WORD Press)()

  • zamm

    Bombarder du plomb avec un accélérateur n’est effectivement pas très économique. Par contre, d’autres métaux nobles peuvent être récupérés en quantités significatives des produits de fission : Pd, Rh et Ru :
    BUSH, R. P. Recovery of Platinum Group Metals From High Level Radioactive Waste. Platinum Metals Review(UK), 1991, vol. 35, no 4, p. 202-208.
    http://www.platinummetalsreview.com/pdf/pmr-v35-i4-202-208.pdf

    Selon la distribution de masse des produits de fission, on ne peut en revanche pas espérer récupérer les métaux précieux plus lourds (Au, Ir, Pt) :
    http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fission_product-en.svg

    Un autre « petit détail » est qu’une partie du Pd, Rh et Ru formés est radioactive. Il faut donc être assez patient (~50 ans, c’est donc jouable pour les premières charges de combustible usé) pour Rh et Ru, voire vraiment très patient, > 1 million d’années, pour Pd.

  • Niels

    Il est clair que cet article scientifique ne connait nullement la réalité métaphysique et opérative de l’alchimie qui existait et existe encore à l’heure actuelle.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      En effet, un article scientifique se contente de traiter de la réalité tout court.

    • zamm

      Lu dans un bouquin d’alchimie (je ne me rappelle malheureusement plus duquel, vu qu’il a fait le trajet : vieux papier – lecture – vieux papier), grosso modo :
      « D’ailleurs, ça marche : la preuve est que les poules transmutent continuellement du potassium en calcium. »
      C’est même vrai, et nous faisons d’ailleurs de même (grosso modo 4’000 atomes de calcium par seconde) !
      http://fr.wikipedia.org/wiki/Potassium_40
      Quant à conclure à la « réalité métaphysique et opérative de l’alchimie », je serais plus sceptique :-)

      • http://drgoulu.com Dr. Goulu

        Ah oui tiens j’ai trouvé plusieurs liens sur les poules alchimistes. Beaucoup ramènent à la même personne qui a déployé une étonnante énergie à créer un grand nombre de pages cross-linkées sur divers sites (dont Wikipédia, Wikiversity et Wikilivres) à propos du lauréat du prix igNobel de physique 1993

  • http://www.patrice-leterrier.com patricedusud

    D’une certaine façon on pourrait dire que l’idée a du plomb dans l’aile… :)
    Merci pour ce survol amusant et instructif qui ne dit cependant rien de la transformation de l’herbe en gaz à effet de serre par les vaches. :)

  • http://szelveso.blogspot.hu/ jarogh
    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      mouais… L’article de Forbes mentionne http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_froide#Hypoth.C3.A8se_de_Widom-Larsen qui propose un mécanisme qui reviendrait à un bombardement de neutrons, mais à basse énergie.

      Mais l’abstract de l’article sur le mercure des lampes à basse consommation http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es303940p ne mentionne rien de tel : il ne parle que d’un constat de « fractionnement » des différents isotopes, avec apparemment un excès de Hg196 qu’ils pourraient bien être tentés d’expliquer par une « fusion froide » (je n’ai pas trouvé de version « gratuite » de l’article).

      Il y a deux choses qui me turlupinent. D’abord, si c’est une LENR à la Widom Larsen, le Hg devrait gagner des neutrons, or là c’est l’isotope le plus léger qui est surabondant, tous les autres « disparaissent » mystérieusement.

      Ensuite, le graphique de l’abstract de http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es303940p ne comporte pas de barres d’erreur. Et ça c’est déjà louche car même Excel sait faire des barres d’erreur… Quelle est la précision des mesures ? Quelle est la probabilité pour que l’Hg196 ne soit pas surabondant ?

  • Benoit Luc

    Bonjour.

    Je n’ai pas étudié la mécanique quantique. Je n’ai pas étudié la théorie de la relativité. J’ai lu. Beaucoup. Et cela me paraît très compliqué. Je suis resté indécis devant la description de la lumière. A la fois onde et particule. Je suis retourné dans l’histoire. Comment les choses se sont elles mises en place. Quelles expériences ont été faites. Et quelles expériences n’ont pas été faites.

    De la lumière.
    Vers 1600, Grimaldi fait une expérience. Il laisse entrer la lumière du soleil par un minuscule trou. Il met un objet dans le « faisceau lumineux ». Et constate sur le mur du fond que le bord de l’ombre de l’objet n’est pas net. Il présente des franges claires et foncées. Voilà le protocole de son expérience. Une source de lumière quasi ponctuelle. Un objet qui intercepte une partie de la lumière. Et on observe où arrive. Et où n’arrive pas la lumière sur un écran.
    Fresnel va reprendre ce protocole. Et multiplier la forme des objets utilisés. Une fente. Deux. Un fils……… Il va construire la théorie ondulatoire de la lumière. Et présenter son travail à l’Académie des Sciences de Paris. L’anecdote raconte que Poisson, habile mathématicien, déduit des équations de Fresnel que l’ombre d’un petit disque doit présenter un point brillant en son centre. Ce qui paraît absurde. Fresnel monte l’expérience avec Arago. Le point brillant existe. La théorie ondulatoire est acceptée.
    Quelle expérience n’a pas été faite? Au lieu de regarder l’écran. Dans le cadre de cette expérience. Personne n’a pensé à mettre l’oeil (ou un appareil photo…) au niveau du point brillant. Tourné vers la source de lumière cachée par le disque opaque. Que voit-on?
    J’ai posé la question à des scientifiques reconnus. Les réponses que j’ai obtenues me laissent pantois. 1/ « Quand on étudie la diffraction, c’est mieux de regarder l’écran ». 2/ « Fresnel s’est trompé, le point brillant n’existe pas……… ».
    Il y a un phénomène qu’on observe en regardant vers la source de lumière. C’est la déviation gravitationnelle. C’est bizarre. Dans les expériences de Fresnel, la lumière rentre dans l’ombre géométrique des objets. Elle est déviée. Sans qu’il soit nécessaire d’avoir des masses importantes en présence…..
    Je note encore un phénomène. Lorsqu’un astéroïde passe devant une étoile, on signale.le phénomène de flash central lors de l’occultation. Je me permets de me poser des questions quant à son origine.

    A propos de la détente de Joule.
    Dans ma longue quête, j’ai trouvé une expérience inédite. Que j’ai proposée à des scientifiques. J’y reviendrai. La réponse que j’ai eue est que c’est contraire au second principe de la thermodynamique. J’ai donc ouvert ces livres là. Dans la détente de Joule, un gaz est contenu dans la moitié gauche d’un tube. La droite étant vide. On ouvre la vanne. Et le gaz se répand dans tout l’espace. Les conclusions des livres de thermodynamique sont qu’il n’y a pas d’échange d’énergie. Lorsqu’on ouvre la vanne, le gaz exerce encore sa pression sur la paroi gauche du tube. Et pas encore sur celle de droite. Le tube accélère donc vers la gauche. Il me semble que la théorie cinétique des gaz me permet de conclure que le mouvement ne s’arrête pas. La seule solution que j’ai trouvée est une force de répulsion entre molécules de gaz. J’ai cherché très longtemps si des mesures ont été faites entre masses gazeuses. Personne n’a jamais fait cela…. Je note également dans un article sur le vide. Qu’il suffit d’introduire dans une enceinte une paroi refroidie à l’hélium liquide pour que toutes les molécules gazeuses viennent s’y coller.
    J’ai écrit en 2002 à l’Académie des Sciences concernant la détente de Joule. La réponse que j’ai obtenue est qu’il faut considérer un récipient de masse importante (quasiment infinie) et une masse de gaz négligeable….. Nous sommes dans la réalité.

    Petite expérience avec des ions.
    Quand on plonge un verre d’eau salée dans un champ électrique, une partie des ions présents se rangent dans le champ. Le déplacement s’arrête quand le champ est nul au sein de la masse d’eau. On peut changer l’eau au centre du verre par de l’eau à salinité de départ. Avant de sortir le verre de l’influence du champ. On réalise l’enrichissement en sel d’une partie de l’eau. Par un procédé thermodynamiquement réversible.
    L’eau pure contient aussi des ions. Ce sont les équilibres dynamiques du pH. Le même phénomène va se produire. Au centre de la masse d’eau, la formation de molécules d’eau à partir d’ions va diminuer. Celle de formation d’ions continue. C’est une réaction endothermique. Et la température diminue légèrement. Si on évacue l’eau avant de sortir le verre de l’influence du champ, les ions, piégés réagissent entre eux et cette réaction produit de la chaleur……..

    A propos du second principe de la thermodynamique.
    Sadi Carnot est considéré comme le père de la thermodynamique. Son livre publié en 1824 est disponible sur internet. A la page 89, il écrit qu’il ne peut pas étendre le raisonnement qu’il a fait sur les gaz, aux liquides et aux solides. Des données lui manquent. Si on fait travailler un morceau d’acier en le chauffant, la quantité de chaleur pour le chauffer est-elle la même que si on le laisse se dilater librement. Ce sont ces mesures là qui manquaient à Carnot pour conclure. Carnot ne pouvait pas non plus conclure sur les solutions d’ions. Il faut attendre 1883 et le mémoire de fin d’études d’Arrhénius pour que leur existence soit révélée. Mémoire très mal acceuilli par ses professeurs d’ailleurs.

    Je me permets de conclure par une petite expérience de pensée. On suspend un fil de fer de cent mètres de long. Et on le chauffe de 100 °C. Il s’allonge d’environ 25 cm. On y accroche une masse. Et on laisse refroidir.
    La physique d’aujourd’hui considère que la quantité de chaleur pour chauffer le fils sera rendue au refroidissement. La masse d’est élevée de 25 cm. Oui. Je crois que les hommes n’ont pas exploré toutes les voies de la physique.
    J’ai d’autres expériences du genre.
    Merci si vous me lisez.

    Salutations distinguées.

    Luc Benoit.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Beaucoup de choses dans votre long commentaire, pas toujours facile à suivre. (faites plusieurs petits commentaires mieux ciblés à l’avenir svp)

      Sur la tache de Poisson, je ne connaissais pas l’histoire (merci!) alors j’ai trouvé cet article détaillé : http://www.larecherche.fr/idees/histoire-science/tache-poisson-fit-triompher-fresnel-01-12-2009-84078 dont j’aime beaucoup la conclusion : « juger d’une preuve est chose complexe. Certes, l’expérience de laboratoire est décisive, certes, elle nous dit des choses capitales et, sans elle, il n’y aurait pas de science. Mais les expériences ne sont pas des tests départageant de façon non ambiguë des théories. Elles sont des actes créatifs aussi complexes que les théories elles-mêmes, et qui contiennent autant de propositions indécidables. »

      Sur la détente de Joule, je remplace le gaz par une bille de même masse, un ressort de compression (=pression) entre la face de gauche et la bille, je lâche, la bille part à droite avec une énergie cinétique E, le tube part à gauche avec la même énergie E de réaction, la bille tape à droite, tout s’arrête avec un centre de gravité inchangé… Pour refroidir la face à une température où le gaz se fixe (= se liquéfie) au fur et à mesure qu’il la touche, il faut fournir de l’énergie depuis l’extérieur du tube. Au pif, exactement la même que si on pompait le gaz pour en diminuer sa pression résiduelle comme par la condensation.

      C’est vrai que les scientifiques hésitent à faire des expériences pour vérifier ce qu’ils savent déjà, mais si vous avez un doute, vous pouvez faire l’expérience pour vérifier, ça n’est pas trop compliqué.

      Sur les ions et le 2ème principe je n’ai pas compris où vous vouliez en venir, désolé.

      Sur « l’expérience de pensée » pour chauffer le fil de 100° vous devez lui fournir de l’énergie. En refroidissant il la rend en partie sous forme mécanique. C’est le principe des actionneurs (électro-)thermiques comme les bilames d’ailleurs. Sous charge, il ne remontera pas de 25 cm, mais de x cm de moins en raison de l’élasticité du fil. Je parie que l’énergie Ep=k*x^2 de déformation du fil est exacement la même que celle qu’il faut fournir au fil pour le faire se dilater de x cm ;-)

      Bienvenue

      • Benoit Luc

        Ben moi je trouve juste qu’il faudrait sérieusement réfléchir. Mais bon. C’est pô grave. Le monde va dans le mur. Laissons le aller. Luc Benoit.

  • Bernard

    Bonjour,

    Espérons qu’avec les avancés des nombreuses sociétés, startup, individus dans le domaine de l’impression 3D, ce problème de transformation d’atome trouve une solution. Ce serait l’idéal de pouvoir imprimer n’importe quoi (métaux, plastiques, nourriture…) en créant ses atomes/molécules ‘à la volée’. Ce n’est qu’une question de temps. Et je voudrais bien voir çà de mon vivant :-)

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Peu de chances de voir ça de votre vivant : comme expliqué dans l’article le niveau d’énergie qu’il faut maîtriser dépasse de loin celui dont nous disposons. Mais surtout, il faut le nombre d’Avogadro d’atomes pour faire une mole de matière, et une mole c’est petit alors que le nombre d’Avogadro est très, très grand. Même en « imprimant » un milliard d’atomes par seconde (10^18) il faudrait 15 millions d’années pour imprimer quelques grammes de matière…

      Pour faire une bonne tranche de bidoche imprimée, On aurait meilleur temps de commencer par imprimer de minuscules imprimantes 3D capables de se répliquer exponentiellement et de s’assembler pour faire… un boeuf !

      En fait ça existe déjà, ça s’appelle la vie ;-)