Le polonium est un élément lourd produit exclusivement par le processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements explosifs comme les supernovae ou les fusions d'étoiles à neutrons. En raison de ses isotopes tous radioactifs et aux demi-vies relativement courtes (le plus long, \(^{209}\mathrm{Po}\), a une demi-vie de seulement 125,2 ans), il n'existe pratiquement pas de polonium primordial dans l'univers. Tout polonium présent à la formation du système solaire s'est désintégré depuis longtemps. Le polonium que l'on trouve sur Terre aujourd'hui est donc soit artificiel, soit issu de la désintégration de l'uranium et du thorium dans les chaînes radioactives naturelles.
Plusieurs isotopes du polonium apparaissent comme produits intermédiaires dans les quatre chaînes de désintégration radioactives primordiales :
Ces isotopes à vie très courte sont constamment produits et disparaissent dans les minéraux contenant de l'uranium et du thorium, contribuant à la radioactivité naturelle. Le \(^{210}\mathrm{Po}\) (Radium F), avec une demi-vie de 138,376 jours, est le membre le plus long de la chaîne de l'uranium-238 et peut s'accumuler en quantités mesurables.
Le \(^{210}\mathrm{Po}\) est utilisé comme traceur naturel en sciences de la Terre. Produit par la désintégration du radon-222 (gaz) dans l'atmosphère, il se dépose sur les surfaces terrestres et océaniques. Son rapport avec son "parent" à vie plus longue, le \(^{210}\mathrm{Pb}\) (demi-vie 22,3 ans), permet de dater les sédiments marins récents (sur quelques centaines d'années), d'étudier les processus de mélange océanique, la bioproductivité et le transport de particules dans l'atmosphère.
Le polonium a été nommé par ses découvreurs, Marie et Pierre Curie, en 1898, en hommage à la Pologne natale de Marie (alors partagée entre l'Empire russe, l'Autriche-Hongrie et la Prusse). C'était un acte patriotique et politique, visant à attirer l'attention sur la cause de l'indépendance polonaise, alors que le pays n'existait plus sur les cartes. C'était le premier élément nommé d'après un pays.
En étudiant la radioactivité de la pechblende (un minerai d'uranium), Marie Curie remarqua que celle-ci était plus élevée que ne pouvait l'expliquer la seule teneur en uranium. Elle et son mari Pierre entreprirent un travail titanesque de purification chimique sur des tonnes de minerai. En juillet 1898, ils annoncèrent la découverte d'un nouvel élément, qu'ils nommèrent polonium. Ils le caractérisèrent par sa radioactivité intense et sa similarité chimique avec le bismuth. Quelques mois plus tard, ils découvriraient le radium, encore plus radioactif. Ces découvertes leur vaudront le Prix Nobel de Physique en 1903 (avec Henri Becquerel).
Isoler le polonium en quantités pondérables fut extrêmement difficile en raison de sa faible abondance et de sa forte radioactivité. Ce n'est qu'après de nombreuses années de traitement de minerais que des quantités microscopiques de sels de polonium pur furent obtenues. La première observation du spectre du polonium fut faite en 1910. La production à l'échelle du gramme ne devint possible qu'avec le développement des réacteurs nucléaires.
Aujourd'hui, le polonium-210 est produit artificiellement de deux manières principales :
La production mondiale est très faible, de l'ordre de quelques centaines de grammes par an, principalement en Russie. Son coût est extrêmement élevé (des centaines de milliers de dollars par gramme pour le \(^{210}\mathrm{Po}\) de haute pureté), en raison de la complexité de sa production et de sa séparation, et des risques associés.
Le polonium (symbole Po, numéro atomique 84) est un élément post-transitionnel, situé dans le groupe 16 (groupe de l'oxygène ou chalcogènes) du tableau périodique, avec l'oxygène, le soufre, le sélénium, le tellure et le livermorium. C'est le seul élément de ce groupe à être un métal (à température ambiante). Son atome possède 84 protons et, selon l'isotope, 122 à 136 neutrons. L'isotope \(^{210}\mathrm{Po}\) a 126 neutrons. Sa configuration électronique est [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴, avec six électrons de valence (6s² 6p⁴).
Le polonium est un métal gris argenté, mou, et qui ressemble chimiquement à ses cousins le tellure et le bismuth.
Sa radioactivité intense endommage rapidement sa structure cristalline et provoque son auto-irradiation.
Le polonium fond à 254 °C (527 K) et bout à 962 °C (1235 K). Sa chaleur de désintégration peut fausser ces mesures pour les échantillons macroscopiques.
Chimiquement, le polonium est un métal assez réactif, similaire au tellure. Il se dissout dans les acides pour former des solutions de Po(IV) (rose) et s'oxyde facilement à l'air. Il forme des composés dans les états d'oxydation -2, +2, +4 et +6, avec +4 étant le plus stable. Ses composés sont souvent colorés (ex: PoCl₄ est jaune, PoBr₄ est rouge). Cependant, l'étude de sa chimie est extrêmement difficile et dangereuse en raison de sa radioactivité intense.
Densité (α-Po) : 9,32 g/cm³.
Point de fusion : 527 K (254 °C).
Point d'ébullition : 1235 K (962 °C).
Structure cristalline (α) : Cubique simple (unique parmi les éléments).
Configuration électronique : [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴.
État d'oxydation principal : +4.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Mode de désintégration | Remarques / Applications |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Polonium-208 — \(^{208}\mathrm{Po}\) | 84 | 124 | 207,981246 u | Trace (radiogénique) | 2,898 ans (α) | Isotope de durée de vie moyenne, présent dans la chaîne du thorium. Peut être produit artificiellement. |
| Polonium-209 — \(^{209}\mathrm{Po}\) | 84 | 125 | 208,982430 u | Trace (radiogénique) | 125,2 ans (α, 99,99% ; CE, 0,001%) | Isotope au plus longue demi-vie naturelle. Produit principalement par désintégration α du \(^{213}\mathrm{Bi}\). |
| Polonium-210 — \(^{210}\mathrm{Po}\) | 84 | 126 | 209,982874 u | Trace (radiogénique) | 138,376 jours (α) | L'isotope le plus important et le plus connu. Radioactivité alpha intense (5,3 MeV). Utilisé dans les sources antistatiques, les générateurs thermoélectriques et tristement comme poison. Produit à partir de \(^{209}\mathrm{Bi}\) par irradiation neutronique. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le polonium possède 84 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴ présente six électrons de valence dans la couche 6 (s² p⁴). Cela peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(6), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴.
Couche K (n=1) : 2 électrons (1s²).
Couche L (n=2) : 8 électrons (2s² 2p⁶).
Couche M (n=3) : 18 électrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Couche N (n=4) : 32 électrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
Couche O (n=5) : 18 électrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
Couche P (n=6) : 6 électrons (6s² 6p⁴).
Le polonium possède 6 électrons de valence (6s² 6p⁴). Sa chimie ressemble à celle du tellure, mais avec une tendance plus marquée aux états d'oxydation inférieurs en raison de l'effet de paire inerte qui commence à se manifester. Les états d'oxydation principaux sont :
La chimie du polonium est peu explorée en raison des dangers extrêmes liés à sa manipulation.
Le polonium métallique s'oxyde rapidement à l'air pour former du dioxyde de polonium (PoO₂), un solide jaune. Lorsqu'il est chauffé dans l'air, il peut former des oxydes mixtes.
Très peu de composés du polonium ont été préparés et étudiés en détail, toujours en quantités infimes et avec des précautions extrêmes.
Lorsqu'une particule alpha de haute énergie (comme celle du \(^{210}\mathrm{Po}\)) frappe un noyau de béryllium-9, une réaction nucléaire se produit : \(^9\mathrm{Be} + \alpha \rightarrow \,^{12}\mathrm{C} + n\). Cette réaction produit un neutron. Les sources polonium-béryllium (Po-Be) étaient donc des sources de neutrons portables, utilisées :
Cependant, la courte demi-vie du \(^{210}\mathrm{Po}\) (138 jours) rendait ces sources peu pratiques, nécessitant un remplacement fréquent. Elles ont été largement remplacées par des sources utilisant l'américium-241 ou le californium-252.
La désintégration intense du \(^{210}\mathrm{Po}\) dégage une grande quantité de chaleur (140 W/g). Cette chaleur peut être convertie en électricité à l'aide de thermocouples (effet Seebeck). Le polonium-210 a été utilisé dans certains des premiers RTG soviétiques pour alimenter des équipements dans des endroits isolés (balises, stations météo). Cependant, sa courte demi-vie impliquait une baisse rapide de la puissance. Pour les missions spatiales de longue durée, il a été abandonné au profit du plutonium-238 (demi-vie 87,7 ans).
Le polonium-210 est l'une des substances les plus toxiques qui existent. Sa dangerosité provient de plusieurs facteurs :
La dose létale médiane (LD50) par ingestion pour l'homme est estimée à seulement 1 microgramme (1 µg) de \(^{210}\mathrm{Po}\), soit une activité d'environ 11 GBq.
Les symptômes d'une intoxication aiguë (comme dans le cas Litvinenko) apparaissent après quelques jours et incluent :
Détection difficile : Le polonium-210 n'émet pas de rayonnement gamma significatif (seulement un faible gamma à 803 keV dans 0,001% des désintégrations). Sa détection directe nécessite un compteur alpha spécial ou une mesure de la radioactivité des excrétas (urine, selles). Le diagnostic est souvent retardé.
Traitement limité : Il n'existe pas d'antidote spécifique. Le traitement est symptomatique (transfusions, facteurs de croissance, antibiotiques) et vise à éliminer le polonium :
Le polonium-210 est présent naturellement à l'état de traces partout (sols, eau, air) en raison des chaînes de désintégration. Des concentrations plus élevées se trouvent dans les minerais d'uranium, les engrais phosphatés (contenant de l'uranium) et... la fumée de tabac. Les plants de tabac absorbent le polonium présent dans les sols et les engrais, et il se concentre dans les feuilles. Fumer est ainsi une source significative d'exposition interne au \(^{210}\mathrm{Po}\) pour les fumeurs.
En raison de sa toxicité extrême et de son potentiel d'utilisation malveillante, le polonium-210 est soumis à des contrôles internationaux très stricts. Il est classé comme matière radioactive de catégorie 1 (la plus dangereuse) par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA). Son commerce, son transport et son utilisation sont étroitement surveillés. Les installations autorisées à le manipuler doivent respecter des normes de sûreté et de sécurité nucléaire exceptionnellement élevées.
Les déchets contenant du polonium doivent être conditionnés de manière à assurer leur confinement à très long terme, compte tenu de sa demi-vie de 138 jours. Après quelques années de stockage dans des conteneurs adaptés, l'activité a considérablement diminué. Les déchets sont ensuite gérés comme d'autres déchets radioactifs de moyenne activité à vie courte.
Les applications civiles du polonium sont aujourd'hui très limitées et en déclin, remplacées par d'autres radioisotopes plus sûrs ou plus pratiques (Am-241, Pu-238, Cf-252). Son principal intérêt reste :
Le polonium restera à jamais associé au génie et au courage de Marie Curie, ainsi qu'à l'ombre sinistre de sa toxicité mortelle.
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