L'astate, connu un temps sous les noms d'éka-iode ou d'alabame^[6], est l'élément chimique de numéro atomique 85, de symbole At. Il est très rare à l'état naturel et radioactif.

Il est le plus lourd des éléments du groupe 17 du tableau périodique présents dans la nature^[a]. Les isotopes connus sont instables et se décomposent en bismuth ou polonium. Les différents isotopes de l'astate sont produits spontanément par désintégration de l'uranium, du thorium ou du francium. Certains de ces isotopes sont utilisés en tant qu'émetteurs de particules α pour des applications scientifiques et des applications médicales. Par exemple, l'astate 211 est utilisé dans la lutte contre le cancer^[7]. C'est le plus rare des éléments naturels sur Terre, avec une estimation de moins de 30 grammes dans la croûte terrestre^[8].

Caractéristiques notables

Les isotopes connus sont radioactifs. La spectrométrie de masse a confirmé que l'atome se comporte chimiquement comme les autres halogènes, particulièrement l'iode (il peut probablement s'accumuler dans la thyroïde comme ce dernier) bien que l'astate soit supposé être plus métallique. Il est habituellement classé comme un métalloïde ou un non-métal^[9],[10] ; des propriétés métalliques sont également envisagées^[11],[12].

Des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven ont pratiqué des expériences qui ont permis d'identifier et de quantifier les réactions élémentaires qui impliquent l'astate^[13]. Cependant, ces recherches sont limitées par l'extrême rareté de cet élément, due notamment à sa très courte demi-vie. L'isotope le plus stable de l'astate a en effet une demi-vie de 8,1 heures ; sa désintégration conduit à des atomes plus légers. C'est cet isotope qui est produit en priorité, par synthèse nucléaire, car il n'existe pas dans la nature. Les isotopes de l'astate naturel ont des demi-vies inférieures à la minute et ne peuvent donc être isolés du minerai d'origine.

Partant du constat que la couleur des halogènes devient de plus en plus sombre quand leur masse moléculaire augmente, on peut s'attendre à ce que l'astate pur soit un solide noir qui se sublime en une vapeur violette ou noire (plus foncée que celle de l'iode). On suppose que l'astate peut former des liaisons ioniques avec les métaux comme le sodium, à l'instar des autres halogènes. Cet élément peut également réagir avec l'hydrogène pour former, quand il est dissous dans l'eau, le composé de formule HAt qui est un acide extrêmement fort. Malgré tout, l'astate reste le moins réactif des halogènes, encore moins réactif que l'iode^[14].

Histoire

L'astate (probablement de l'anglais astatine, à partir du grec astatos signifiant « instable »^[15]).

En 1869, lorsque Dimitri Mendeleïev publie son tableau périodique des éléments, l'espace situé sous l'iode est vide. Après que Niels Bohr eut établi les bases physiques de la classification des éléments, il a été suggéré que le cinquième halogène s'y trouvât. Avant la reconnaissance officielle de sa découverte, il est appelé éka-iode (eka-iodine en anglais), signifiant qu'il est situé juste en dessous de l'iode^[16]. Des scientifiques tentent de le trouver dans la nature mais, étant donné sa rareté, de nombreuses fausses découvertes ont été annoncées^[17].

La première revendication de découverte de l'éka-iode a été faite en 1932 par Fred Allison et ses associés de l'Institut polytechnique d'Alabama (aujourd'hui Université d'Auburn). Le groupe a utilisé 45 kg de monazite du Brésil pour isoler l'élément. Ils lui donnent le nom d'alabame (alabamine en anglais) d'après l'Alabama et le symbole Am, ensuite modifié en Ab. Le symbole Ab sera encore utilisé pour désigner l'élément 85 dans quelques ouvrages pendant la Seconde Guerre mondiale^{[18],[19],[20],[21]}. En 1934, Herbert G. MacPherson, de l'Université de Californie à Berkeley désapprouve la validité de cette découverte^[22].

En 1937, le chimiste Rajendralal De annonce la découverte de l'élément 85 à partir de monazite qu'il nomme dakin (probablement d'après Dacca^[23]) puis dekhine. Il déclare l'avoir isolé de la chaîne de désintégration du thorium. Cependant, les propriétés du dakin ne correspondent pas à celles de l'astate et l'astate n'est pas trouvé dans la chaîne de désintégration du thorium. La véritable identité du dakin n'est donc pas connue^[24],[25].

En 1936, Horia Hulubei (en) et Yvette Cauchois revendiquent la découverte de l'élément 85 par spectroscopie des rayons X. Ils publient un article en 1939 qui soutient et complète les données de 1936. Hulubei publie un résumé de ces données en 1944 et déclare qu'il est soutenu par le travail d'autres chercheurs. Il nomme cet élément dor. Sa découverte est rejettée en 1947 par l'autrichien Friedrich Paneth. En effet, même si les échantillons d'Hulubei contenaient de l'astate, ses moyens pour le détecter étaient trop faibles, selon les normes actuelles^[23]. Hulubei est également à l'origine d'une annonce de découverte erronée du francium, ce qui a pu minimiser son travail de recherche^[26].

En 1940, Walter Minder (en) annonce la découverte de l'élément 85 dans les produits de désintégration bêta du radium A (polonium 218 et le nomme helvetium (d'après la Suisse^[23]). Karlic et Bernert ne réussissant pas à reproduire son expérience, ils attribuèrent les résultats de Minder à une contamination de son flux de radon (le radon 222 est l'isotope parent du polonium 218)^[27]. Minder et Alice Leigh-Smith annoncent avoir découvert un autre isotope de l'élément 85 en 1942, présumé être un produit de désintégration bêta du thorium A (polonium 216), qu'il nomme anglo-helvetium^[28],[29] (d'après l'Angleterre et la Suisse^[23]). Mais Karlic et Bernert sont encore une fois incapable de reproduire ces résultats^[30].

L'isotope ²¹¹At fut le premier isotope isolé, en 1940 par Dale R. Corson, K. R. MacKenzie et Emilio Segrè de l'université de Californie à Berkeley. Au lieu de le chercher dans la nature, il le synthétise en bombardant du bismuth 209 avec des particules alpha dans un cyclotron^[31],[6] selon la réaction :

²⁰⁹Bi + ⁴He → ²¹¹At + 2 neutrons.

L'astate est trouvé trois ans plus tard par Berta Karlik et Traude Bernert comme un composant de deux chaînes de désintégration se produisant naturellement : celle de l'uranium d'abord puis celle de l'actinium^[32],[33]. L'astate est ensuite identifié comme un composant de la chaîne de désintégration du neptunium^[34].

Production

L'astate peut être produit en bombardant du bismuth par des particules alpha pour obtenir les isotopes ²⁰⁹At et ²¹¹At qui ont une demi-vie relativement longue. Ils peuvent ensuite être séparés de la cible par chauffage dans l'air.

Il est également produit lors de réactions de spallation de l'uranium par des protons de haute énergie. Ainsi, le CERN indique dans un communiqué de presse le 14 mai 2013^[35], avoir profité du faisceau issu du Booster du Synchrotron à protons du CERN : « Les collisions produisent une gerbe d’éléments chimiques, qui se diffusent dans une cavité métallique à 2 000 °C. Si l’on envoie des faisceaux laser de longueurs d’onde déterminées dans cette cavité, on obtient une ionisation sélective de certains des atomes. Un champ électrique extrait les ions chargés positivement, qui sont envoyés dans des aimants réglés de façon à permettre uniquement la transmission d’une masse choisie. Le résultat est un faisceau d’ions ne contenant qu’un seul isotope, qui est envoyé sur un détecteur. » De cette étude est obtenue une valeur du potentiel d'ionisation à 9,317 51 électronvolts.

Isotopes

L'astate possède 32 isotopes connus, tous radioactifs ayant un nombre de masse s'étendant de 191 à 223. L'isotope possédant la plus longue demi-vie est ²¹⁰At, avec une demi-vie de seulement 8,1 h tandis que l'isotope ²¹³At possède une demi-vie de 125 nanosecondes^[36].