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Isotope

Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par le numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être schématisé en première approche par une...). Deux isotopes ont le même numéro atomique. Ce qui distingue deux isotopes est qu'ils ont une masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une...). La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) atomique d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de nucléons que contient le noyau de cet atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...). La différence de masse atomique est donc due à une différence dans le nombre de neutrons N.

Notation

Un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) est couramment désigné par son symbole chimique, complété par son nombre de masse (Le nombre de masse (A) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de nucléons du noyau d'un atome.) A (égal au nombre de nucléons de l'atome) placé en haut et à gauche du symbole.

Exemple: le carbone 14 (Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.) de nombre de masse 14 est noté 14C.

Il est d'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de compléter cette écriture par le numéro atomique Z , placé en bas et à gauche du symbole, pour décrire une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire, deux noyaux atomiques entrent...) dans laquelle intervient un isotope.

Le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 14 est ainsi noté {}_{\ 6}^{14}\operatorname{C}.

Ainsi, le carbone 14 {}_{\ 6}^{14}\operatorname{C} et le carbone 12 {}_{\ 6}^{12}\operatorname{C} sont des isotopes.

Propriétés des isotopes

Les propriétés chimiques des isotopes d'un même élément sont identiques car ces isotopes ont le même nombre d'électrons.

En revanche, comme le noyau ne comporte pas le même nombre de neutrons, la masse des atomes varie. Cette différence de masse atomique permet de séparer les isotopes d'un même élément par spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus,...) ou par centrifugation et ainsi de les distinguer. De plus, la proportion de neutrons dans le noyau peut rendre l'atome instable : c'est pourquoi ils peuvent être radioactifs.

Stabilité des isotopes

Il existe quatre-vingt douze éléments chimiques différents dans la nature, de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) 1H au plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux États-Unis par Glenn...) 94Pu, le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm n'ayant ni isotope stable, ni isotope radioactif de période suffisamment longue.

Le noyau d'un atome est constitué de protons qui se repoussent sous l'action de l'intéraction électromagnétique ( les charges électriques de même nature se repoussent ) mais qui s'attirent sous l'action de la intéraction forte; il contient aussi des neutrons qui s'attirent sous l'action de l'intéraction forte mais ne sont pas ( très très peu ) concernés pas l'intéraction électromagnétique. Dans un noyau, la stabilité est donc assurée par l'intéraction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres par leur seule présence, diminuent l'intéraction électromagnétique, d'où les propriétés suivantes :

Pour ces centaines d'isotopes naturels, les nombres respectifs de protons et de neutrons semblent respecter certaines règles :

  • le nombre de neutrons est à peu près égal à celui des protons pour les éléments légers ; à partir du 24Cr, le nombre de neutrons devient supérieur au nombre de protons, l'excédent dépassant 50% pour les éléments les plus lourds ;
  • certains noyaux particulièrement stables contiennent des protons ou des neutrons (ou les deux) égal à un des nombres (dit magiques) de la série :
2, 8, 20, 50, 82, 126 ;

Pourquoi ces valeurs: Elles correspondent à des noyaux possedant des couches complètes de neutrons ou de protons. Les règles de couches pleines sont assez simples et assez semblables à celles des couches d'électrons Pour retrouver ces valeurs on considère les couches successives du centre vers la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet...) du noyau: s1/2 p3/2 1/2 d5/2 3/2 f7/2 5/2 g9/2 7/2 h11/ 9/2 les regles le niveau s contient 1+ 1/2.2 protons et ou neutrons soit 2 et constitue la première couche le niveau p en contient 1+ 3/2.2+1+1/2.2 soit 6 à ajouter à la couche s soit 6+2= 8 La troisième couche contient les niveaux s et d on trouve facilement 10 à ajouter à 8 soit 20 la quatrième couche contient les niveaux p et f soit 20 ce qui devrait faire 20+20= 40 mais le potentiel crée par le centre du noyau fait que le premier élément du niveau g est proche de la 4 ième couche et il faut ajouter à cette couche g9/2 soit 10 nucléons ainsi la 4 ième couche se trouve pour 50 nucléons La cinquième couche comporte les niveaux s d g (amputé du g 9/2) et ajouté du h11/2 soit 76 ajouté au 50 précédent fait un total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...) de 126 On trouve par exemple le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) dont l' isotope le plus stable contient 82 protons et 126 neutons. Il est doublement magique. la valeur suivante est 184 Ce sont des noyaux sphériques. Entre ces valeurs se trouve des noyaux deformés en cigare ou en soucoupe moins stables Le noyau a 126 protons n'a pas pu être crée encore il sera instable sans doute mais on approche de cette valeur en combinant 2 atomes

  • les éléments de nombre Z impair possèdent moins d'isotopes stables que les éléments de nombre Z pair.

Utilisation des isotopes

Un exemple très connu de couple d'isotopes est constitué par le carbone : le carbone est présent en grande majorité sous son isotope de poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...) atomique 12 (le " carbone 12 ") ; d'autre part, on peut trouver en faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) l'isotope de poids atomique 14 (le carbone 14), qui est chimiquement strictement équivalent au carbone 12, mais qui est radioactif. En effet, les neutrons supplémentaires du noyau rendent l'atome instable. Il se désintègre en donnant de l'azote (Table complète - Table étendue) et en émettant un rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité α). Par...) bêta.

La proportion de l'isotope stable par rapport à l'isotope instable varie donc au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). C'est sur cette variation que se basent les méthodes de datation radioactive par couple d'isotopes (dont la plus connue est la méthode de datation au carbone 14). C'est certainement l'application la plus importante du concept d'isotope. Les traceurs isotopiques sont une autre application de ce concept.

Une application majeure est la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) des isotopes 235 et 238 de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...), cette séparation est obtenue par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) gazeuse ou centrifugation de UF6. Le mode par centrifugation est au mains de quelques industriels canadiens, russes, européens... La centrifugation est obtenue par une cascade de centrifugeuses qui élèvent petit à petit le taux de U 235 dans le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) U 235-U 238 qui peut servir pour un enrichissement de 5 % à des applications civile de fission ou à 90 % pour des applications militaires. Les centrifugeuses sont des cylindres étroits tournant à vitesse (On distingue :) élevée. On sait que la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) centrifuge est égale à M.w².r où M est la masse unitaire, w la vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.) de rotation ,r le rayon du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une direction...). Pour éviter une rupture mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...) on choisit r petit et afin d'avoir une force appréciable on choisit w très élevée (la force est proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même...) de la rotation). Avec quelques milliers de centrifugeuses on obtient le résultat recherché.

Autres acceptions

Dans la série animée les Simpson, l'équipe de baseball de Springfield s'appelle Les Isotopes dont le sponsor n'est autre que la centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en...) de Springfield.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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