Le prométhium est l'unique élément de terre rare dépourvu de tout isotope stable, conséquence directe de la vallée d'instabilité dans laquelle se situent tous ses isotopes sur la courbe de stabilité nucléaire. Contrairement aux autres lanthanides, le prométhium n'existe pas naturellement sur Terre en quantités détectables, toute trace primordiale ayant complètement disparu depuis la formation du système solaire il y a 4,6 milliards d'années. L'isotope le plus stable, Pm-145, possède une demi-vie de seulement 17,7 années, insuffisante pour survivre à l'échelle géologique.
Le prométhium est néanmoins synthétisé transitoirement dans les étoiles par les processus s (capture lente de neutrons) et r (capture rapide de neutrons). Dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB), le processus s produit du prométhium comme intermédiaire radioactif qui décroît rapidement vers le samarium stable avant d'être éjecté dans le milieu interstellaire. Lors des supernovae et des fusions d'étoiles à neutrons, le processus r génère des quantités substantielles de prométhium, mais celui-ci décroît également vers le samarium en quelques décennies.
Des raies spectrales du prométhium ont été détectées dans les spectres de quelques novae et supernovae récentes, confirmant sa synthèse dans ces événements cataclysmiques. Les observations spectroscopiques de la supernova 1987A ont révélé des signatures potentielles de prométhium dans les premières années suivant l'explosion. Ces détections sont extrêmement difficiles car le prométhium est rapidement dilué et décroît, rendant les raies spectrales éphémères et faibles. L'observation du prométhium dans les éjecta stellaires fournit néanmoins des contraintes précieuses sur les échelles de temps de la nucléosynthèse explosive.
L'absence totale de prométhium dans le système solaire et le milieu interstellaire confirme que l'intervalle de temps entre la nucléosynthèse des derniers événements enrichissant le nuage moléculaire présolaire et la formation du système solaire était significativement supérieur à quelques siècles. Si la formation du système solaire avait immédiatement suivi une supernova enrichissante, des traces de prométhium auraient pu subsister dans les météorites primitives. L'absence observée suggère un délai d'au moins plusieurs milliers d'années entre la nucléosynthèse finale et l'effondrement du nuage protosolaire.
Le prométhium tire son nom de Prométhée, le titan de la mythologie grecque qui vola le feu aux dieux pour le donner aux humains, symbolisant ainsi l'acquisition difficile et le danger potentiel de cet élément radioactif. L'existence d'un élément de numéro atomique 61 fut prédite par Dmitri Mendeleïev dès 1871 dans sa classification périodique, identifiant une case vide entre le néodyme (60) et le samarium (62). Mendeleïev nomma cet élément hypothétique "eka-néodyme" selon sa nomenclature systématique.
Entre 1902 et 1945, au moins six groupes de chercheurs revendiquèrent la découverte de l'élément 61 dans des minerais de terres rares, proposant divers noms : "florentium" (Italiens, 1924), "illinium" (Américains, 1926), et "cyclonium" (Américains, 1938). Toutes ces revendications s'avérèrent ultérieurement erronées, résultant d'erreurs d'identification spectroscopique ou de contaminations. L'impossibilité d'isoler l'élément 61 de sources naturelles aurait dû alerter les chercheurs sur sa nature probablement radioactive, mais le concept d'éléments exclusivement synthétiques n'était pas encore établi.
La découverte authentique du prométhium fut réalisée en 1945 par Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin et Charles D. Coryell au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, États-Unis. Travaillant dans le cadre du projet Manhattan, ils isolèrent et identifièrent l'isotope Pm-147 parmi les produits de fission de l'uranium-235 irradié dans un réacteur nucléaire. L'identification fut confirmée par analyse spectroscopique aux rayons X et par caractérisation de la décroissance radioactive.
Le nom "prométhium" et le symbole "Pm" furent officiellement adoptés en 1949 par l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC), bien que les découvreurs aient initialement hésité à nommer l'élément. Le prométhium devint ainsi le premier élément découvert exclusivement par synthèse artificielle parmi les lanthanides, préfigurant les éléments transuraniens synthétisés quelques années auparavant. La découverte marqua une étape importante dans la reconnaissance que certains éléments prédits par le tableau périodique pouvaient ne pas exister naturellement sur Terre.
Le prométhium n'existe pas naturellement sur Terre en quantités mesurables. Des traces infimes (moins de 10⁻¹⁹ grammes par tonne) sont produites par fission spontanée de l'uranium dans les minerais uranifères, mais ces quantités sont totalement négligeables. La production mondiale de prométhium est entièrement synthétique, obtenue par extraction des produits de fission des réacteurs nucléaires. La production annuelle mondiale est estimée à environ 100-200 grammes de Pm-147, principalement aux États-Unis et en Russie.
Le prométhium est extrait des barres de combustible nucléaire usagé par des procédés complexes d'extraction par solvant et de chromatographie d'échange d'ions. Le Pm-147 représente environ 2-3% des produits de fission après plusieurs années de refroidissement. L'extraction nécessite des installations hautement spécialisées avec blindage contre les rayonnements et confinement strict. Le coût du prométhium purifié est extrêmement élevé, de l'ordre de 1000 à 10 000 dollars par gramme selon la pureté, limitant son utilisation aux applications hautement spécialisées où aucune alternative n'existe.
Il n'existe aucun recyclage du prométhium car les quantités utilisées sont infimes et les dispositifs contenant du prométhium (sources lumineuses, capteurs) sont généralement scellés hermétiquement et traités comme déchets radioactifs en fin de vie. La récupération serait techniquement possible mais économiquement non viable compte tenu des faibles quantités et des coûts de manipulation du matériel radioactif.
Le prométhium (symbole Pm, numéro atomique 61) est le cinquième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 61 protons, généralement 86 neutrons (pour l'isotope le plus utilisé \(\,^{147}\mathrm{Pm}\)) et 61 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f⁵ 6s².
Le prométhium métallique n'a été produit qu'en quantités microscopiques, limitant les mesures précises de ses propriétés physiques. Les données disponibles proviennent principalement d'extrapolations basées sur les lanthanides voisins et de quelques mesures sur des échantillons de quelques milligrammes. Le prométhium est supposé être un métal brillant de couleur blanc argenté, s'oxydant rapidement à l'air. Il cristallise probablement dans une structure hexagonale compacte (HC) à température ambiante, comme le néodyme et le samarium voisins.
Le prométhium fond à environ 1042 °C (1315 K) et bout à environ 3000 °C (3273 K), selon les estimations basées sur les tendances des lanthanides. Sa densité est estimée à 7,26 g/cm³, cohérente avec la contraction lanthanidique. Le prométhium devrait être un bon conducteur d'électricité et de chaleur, avec des propriétés métalliques typiques des lanthanides. Le prométhium est supposé paramagnétique à température ambiante, avec des propriétés magnétiques déterminées par la configuration 4f⁵.
Tous les isotopes du prométhium sont radioactifs. L'isotope Pm-147, le plus utilisé, émet des rayons bêta de faible énergie (énergie maximale 224 keV, énergie moyenne 62 keV) sans émission gamma significative. Cette émission bêta pure de faible énergie fait du Pm-147 une source radioactive relativement sûre, car les rayons bêta sont arrêtés par quelques millimètres de matériau et ne nécessitent pas de blindage lourd. Le Pm-147 décroît vers le samarium-147 stable avec une demi-vie de 2,62 années.
Le point de fusion du prométhium : 1315 K (1042 °C) [estimé].
Le point d'ébullition du prométhium : 3273 K (3000 °C) [estimé].
Tous les isotopes du prométhium sont radioactifs ; Pm-147 émet des rayons bêta de faible énergie (demi-vie 2,62 ans).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Origine | Demi-vie | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prométhium-145 — \(\,^{145}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 84 | 144,912749 u | Synthétique | ≈ 17,7 ans | Radioactif (CE, α faible). Isotope le plus stable du prométhium, mais demi-vie insuffisante pour survie géologique. |
| Prométhium-146 — \(\,^{146}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 85 | 145,914696 u | Synthétique | ≈ 5,53 ans | Radioactif (CE, β⁻). Émet des rayons gamma intenses, nécessitant un blindage significatif. |
| Prométhium-147 — \(\,^{147}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 86 | 146,915138 u | Synthétique | ≈ 2,62 ans | Radioactif (β⁻). Isotope le plus utilisé, émetteur bêta pur de faible énergie. Produit de fission majeur. |
| Prométhium-148 — \(\,^{148}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 87 | 147,917475 u | Synthétique | ≈ 5,37 jours | Radioactif (β⁻). Demi-vie courte, utilisé en recherche nucléaire. |
| Prométhium-149 — \(\,^{149}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 88 | 148,918334 u | Synthétique | ≈ 53,08 heures | Radioactif (β⁻). Produit de fission significatif, demi-vie intermédiaire. |
| Prométhium-151 — \(\,^{151}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 90 | 150,921207 u | Synthétique | ≈ 28,40 heures | Radioactif (β⁻). Produit de fission, utilisé en études de décroissance radioactive. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le prométhium possède 61 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique est [Xe] 4f⁵ 6s², typique des lanthanides où la sous-couche 4f se remplit progressivement. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(23) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁵ 5s² 5p⁶ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est également complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable et complète.
Couche O (n=5) : contient 23 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f⁵ 5d⁰. Les cinq électrons 4f caractérisent la chimie du prométhium.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe du prométhium.
Le prométhium possède effectivement 7 électrons de valence : cinq électrons 4f⁵ et deux électrons 6s². L'état d'oxydation quasi-exclusif est +3, caractéristique de tous les lanthanides, où le prométhium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Pm³⁺ avec la configuration [Xe] 4f⁴. Cet ion Pm³⁺ est responsable de la couleur rose pâle des solutions de prométhium, bien que peu d'observations directes existent compte tenu de la rareté de l'élément.
La chimie du prométhium est essentiellement la chimie de l'ion Pm³⁺, avec des propriétés intermédiaires entre le néodyme et le samarium. Les composés de prométhium(III) incluent l'oxyde Pm₂O₃, le chlorure PmCl₃, le nitrate Pm(NO₃)₃, et divers complexes de coordination. En raison de la radioactivité, tous les composés de prométhium subissent une auto-radiolyse progressive et peuvent présenter une luminescence faible due à l'excitation des molécules environnantes par les rayons bêta.
Des états d'oxydation +2 et +4 ont été suggérés dans des conditions extrêmes, mais ces états sont extraordinairement instables et n'ont jamais été caractérisés de manière définitive. La chimie du prométhium reste relativement peu étudiée en raison de la difficulté d'obtenir des quantités suffisantes, de la radioactivité inhérente, et de la décroissance rapide qui limite la durée des expériences.
Le prométhium métallique est supposé très réactif avec l'oxygène et s'oxyder rapidement à l'air, formant une couche d'oxyde de prométhium(III) (Pm₂O₃) de couleur variable (probablement rose pâle à jaune). Les études sur des échantillons microscopiques suggèrent que le prométhium s'enflamme facilement lorsqu'il est chauffé dans l'air, produisant de l'oxyde avec une luminescence faible due à la radioactivité : 4Pm + 3O₂ → 2Pm₂O₃. La manipulation du prométhium métallique nécessite une atmosphère inerte et un confinement approprié contre les rayonnements bêta.
Le prométhium est supposé réagir lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude, produisant de l'hydroxyde de prométhium(III) et dégageant du gaz hydrogène : 2Pm + 6H₂O → 2Pm(OH)₃ + 3H₂↑. Les solutions aqueuses de sels de prométhium sont rose pâle et présentent une fluorescence faible due à l'interaction des rayons bêta avec l'eau. L'hydroxyde de prométhium(III) précipite facilement des solutions sous forme d'un solide gélatineux.
Le prométhium se dissout facilement dans les acides, même dilués, avec dégagement d'hydrogène : 2Pm + 6HCl → 2PmCl₃ + 3H₂↑, produisant des solutions roses de Pm³⁺. Le prométhium forme des halogénures (PmF₃, PmCl₃, PmBr₃, PmI₃), des chalcogénures (Pm₂S₃, Pm₂Se₃), des nitrures (PmN), et des carbures (PmC, PmC₂). Tous ces composés sont radioactifs et subissent une dégradation progressive par auto-radiolyse.
Une propriété unique du prométhium est l'auto-radiolyse de ses composés. Les rayons bêta émis par le Pm-147 brisent continuellement les liaisons chimiques dans les composés solides et les solutions, produisant des radicaux libres, des gaz (H₂, O₂ dans les solutions aqueuses), et une dégradation progressive de la structure cristalline. Cette auto-radiolyse limite la durée de vie des échantillons et peut provoquer un auto-échauffement significatif dans les sources concentrées. Les composés de prométhium doivent être resynthétisés périodiquement pour maintenir leur intégrité chimique.
L'application historique principale du prométhium fut son utilisation dans les peintures luminescentes autonomes pour cadrans de montres, instruments d'aviation, panneaux de signalisation et dispositifs militaires. Le principe repose sur la radioluminescence : les rayons bêta émis par le Pm-147 excitent un phosphore (généralement du sulfure de zinc dopé au cuivre), qui émet de la lumière visible. Contrairement aux peintures au radium ou au tritium, le Pm-147 produit une luminosité plus intense et ne nécessite pas d'activation préalable par la lumière.
Les peintures au prométhium présentaient plusieurs avantages : luminosité initiale élevée (environ 10 fois supérieure au tritium), absence d'émission gamma nécessitant un blindage, et énergie bêta suffisamment faible pour être arrêtée par le verre du cadran. Cependant, la demi-vie courte du Pm-147 (2,62 ans) signifie que la luminosité diminue de moitié tous les 2,6 ans, rendant les dispositifs inutilisables après 10-15 ans. Cette limitation, combinée aux préoccupations de sécurité radiologique, a conduit à l'abandon progressif du prométhium au profit du tritium (demi-vie 12,3 ans) dans les années 1970-1980.
Les forces armées utilisèrent extensivement les sources lumineuses au prométhium pour les instruments de navigation, les viseurs d'armes, les panneaux de contrôle et les équipements de survie durant les années 1960-1970. L'intensité lumineuse supérieure était particulièrement appréciée pour les applications militaires où la visibilité nocturne est critique. Quelques applications aérospatiales spécialisées ont continué d'utiliser le prométhium jusqu'aux années 1990, bien que la plupart aient été remplacées par des alternatives plus durables ou des systèmes électroluminescents.
Le Pm-147 est utilisé dans les jauges d'épaisseur industrielles pour mesurer avec précision l'épaisseur de matériaux en production continue (papier, plastique, tôles métalliques minces). Une source scellée de Pm-147 émet des rayons bêta à travers le matériau, et un détecteur de l'autre côté mesure l'intensité transmise. L'atténuation des rayons bêta est proportionnelle à l'épaisseur et à la densité du matériau, permettant un contrôle qualité en temps réel avec une précision micrométrique.
Le Pm-147 présente plusieurs avantages pour cette application : son énergie bêta modérée (224 keV maximum) est idéale pour mesurer des matériaux de faible à moyenne densité et d'épaisseur millimétrique, l'absence d'émission gamma élimine le besoin de blindage lourd, et la source peut être hautement miniaturisée. Les jauges au prométhium sont plus compactes et plus sûres que les alternatives utilisant des sources bêta de plus haute énergie (Sr-90) ou des sources gamma (Cs-137).
L'utilisation du prométhium dans les jauges industrielles a considérablement diminué depuis les années 1990 en raison de la demi-vie courte nécessitant un remplacement fréquent des sources (tous les 5-10 ans), des réglementations strictes sur les matériaux radioactifs, et de la disponibilité limitée. La plupart des jauges modernes utilisent des sources de krypton-85, de strontium-90 ou des systèmes laser/optiques non radioactifs. Seules quelques applications très spécialisées nécessitant une géométrie compacte continuent d'utiliser le prométhium.
Le prométhium fut exploré dans les années 1950-1970 comme source d'énergie pour batteries nucléaires miniatures et générateurs thermoélectriques radioisotopiques (RTG). Dans une batterie nucléaire, l'énergie cinétique des rayons bêta est convertie directement en électricité par des jonctions semi-conductrices ou des matériaux bêtavoltaïques. Dans un RTG, la chaleur produite par l'absorption des rayons bêta est convertie en électricité par des thermocouples.
Des batteries au Pm-147 furent développées pour alimenter les premiers stimulateurs cardiaques dans les années 1960-1970, offrant une autonomie de 5-10 ans sans remplacement de batterie. Quelques satellites et sondes spatiales expérimentales utilisèrent également de petits RTG au prométhium pour des missions de courte durée. Le programme spatial soviétique utilisa des sources au Pm-147 dans certains satellites de navigation et de communication des années 1970.
L'utilisation du prométhium dans les batteries nucléaires fut largement abandonnée dans les années 1980 en raison de la demi-vie courte limitant la durée de vie des dispositifs, de la densité énergétique relativement faible comparée au plutonium-238 pour les RTG spatiaux, et des préoccupations de sécurité. Les stimulateurs cardiaques modernes utilisent des batteries lithium-ion rechargeables ou des systèmes à longue durée de vie basés sur le lithium-iode. Les RTG spatiaux modernes utilisent exclusivement le plutonium-238 (demi-vie 87,7 ans) pour les missions de longue durée.
Le prométhium présente une double toxicité : chimique, comparable aux autres lanthanides, et radiologique due à ses émissions bêta. La toxicité chimique est modérée, similaire aux terres rares voisines. L'ingestion ou l'inhalation de composés de prométhium provoque une accumulation préférentielle dans le foie, les reins et le squelette osseux. Cependant, la toxicité radiologique domine largement, car les rayons bêta causent des dommages tissulaires localisés et augmentent le risque de cancer à long terme.
L'exposition au prométhium peut se produire par ingestion, inhalation de poussières ou d'aérosols, ou absorption cutanée de composés solubles. Les rayons bêta du Pm-147 ne pénètrent pas la peau intacte et sont arrêtés par quelques millimètres de tissu, mais l'incorporation interne de prométhium est dangereuse car les rayons bêta irradient continuellement les tissus environnants. L'ingestion de 1 microcurie (37 kBq) de Pm-147 délivre une dose d'environ 0,5 millisievert au corps entier, principalement au foie et au squelette.
Le prométhium incorporé dans l'organisme se comporte similairement aux autres lanthanides. La période biologique (temps pour éliminer 50% de la charge corporelle) est d'environ 3-4 ans pour le prométhium déposé dans le squelette osseux, et d'environ 1 an pour le prométhium dans les tissus mous. Cette rétention prolongée combinée à la radioactivité fait du prométhium un contaminant interne particulièrement préoccupant. Les agents chélateurs comme le DTPA peuvent accélérer l'élimination en cas de contamination aiguë.
Les limites d'exposition professionnelle au prométhium sont strictement réglementées. La limite annuelle d'incorporation (LAI) pour le Pm-147 est typiquement fixée à 40-80 MBq (1-2 millicuries) par ingestion et 8-20 MBq (0,2-0,5 millicuries) par inhalation, selon les réglementations nationales. Les concentrations maximales admissibles dans l'air et l'eau sont de l'ordre de 10⁻⁶ à 10⁻⁷ Bq/mL. Toute manipulation de prométhium nécessite des procédures strictes de confinement, des équipements de protection individuelle, et une surveillance radiologique continue.
Les sources de prométhium en fin de vie sont classées comme déchets radioactifs et doivent être gérées selon les protocoles stricts de gestion des déchets nucléaires. La demi-vie relativement courte du Pm-147 (2,62 ans) signifie que les déchets deviennent radiologiquement négligeables après environ 26 ans (10 demi-vies). Les anciennes peintures luminescentes au prométhium trouvées dans des instruments vintage représentent un risque mineur car la plupart ont décru à des niveaux très faibles.
La contamination environnementale au prométhium provient principalement des retombées de tests nucléaires atmosphériques (années 1950-1960) et d'accidents nucléaires (Tchernobyl, Fukushima). Cependant, le prométhium environnemental décroît rapidement et n'a jamais constitué un contaminant majeur à long terme. Les concentrations actuelles dans l'environnement sont totalement négligeables, bien en dessous des seuils de détection. Les sites de retraitement du combustible nucléaire peuvent présenter des concentrations localement élevées de prométhium dans les déchets liquides et solides, nécessitant un confinement approprié.
L'utilisation du prométhium continuera probablement à diminuer en raison de la disponibilité d'alternatives plus sûres et plus durables pour la plupart des applications. Les sources lumineuses utilisent désormais le tritium (plus durable) ou des systèmes électroluminescents (non radioactifs). Les jauges industrielles évoluent vers des technologies optiques ou laser. Les batteries nucléaires pour applications spatiales privilégient le plutonium-238. Le prométhium restera probablement confiné à quelques applications de niche hautement spécialisées où ses propriétés uniques (émetteur bêta pur de faible énergie) sont irremplaçables, mais les quantités totales utilisées continueront à décroître.
