Isotope

	Cet article possède des paronymes ; voir : isotopie et isotrope.

Les isotopes de l'oxygène, azote et carbone.

En physique nucléaire et en chimie, chaque type d'atome ou nucléide est défini par le nombre de protons Z (appelé aussi numéro atomique, qui définit d'ailleurs le type d'élément chimique), et le nombre de neutrons N, qui composent son noyau. On appelle isotopes tous les nucléides partageant le même nombre de protons, mais qui ont un nombre de neutrons différent. En d'autres termes, si on prend deux nucléides dont les nombres de protons sont Z et Z', et les nombres de neutrons N et N', ces nucléides sont dits isotopes si Z=Z' et N≠N'. On définit par convention chaque isotope par l'élément chimique dont il est une « variante », ainsi que par son nombre de masse, A, c'est-à-dire la somme du nombre de protons (Z) et des neutrons (N) qui composent son noyau.

Les isotopes ne doivent pas être confondus avec isotones, nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différents (Z≠Z' mais N=N'), ni avec les isobares, nucléides ayant des nombres de protons différents, des nombres de neutrons différents, mais des nombres de masse identiques (Z≠Z, N≠N', mais (Z+N)=A=A'=(Z'+N')).

Notation

Les nucléides sont désignés par leur symbole chimique, complété :

par leur nombre de masse A (égal au nombre de nucléons de l'atome) placé en haut et à gauche du symbole, et
par le numéro atomique Z, placé en bas et à gauche du symbole.

Exemple : $\mathrm{{}_Z^AX}$ , X désignant le symbole chimique

Le carbone 14, noté $\mathrm{{}_{\ 6}^{14}C}$ , et le carbone 12, noté $\mathrm{{}_{\ 6}^{12}C}$ , sont ainsi des isotopes de l'élément carbone. Le numéro atomique est généralement omis, car redondant avec le symbole chimique.

Les isotopes les plus courants de l'hydrogène sont également notés selon ce principe : ²H pour le deutérium et ³H pour le tritium ; l'IUPAC admet toutefois (mais sans le recommander) l'usage respectivement des symboles D et T pour le deutérium et le tritium, en raison de l'effet isotopique marqué de ces isotopes par rapport au protium. On peut également représenter les isotopes par leur nom suivi par leur nombre de masse séparé par une espace (et non un tiret, contrairement à l'anglais) : par exemple, carbone 14, oxygène 18, fer 56, etc.

Propriétés

Les propriétés chimiques des isotopes d'un même élément sont presque identiques car ces isotopes ont le même nombre d'électrons (et de protons). Il existe cependant de légers effets isotopiques sur la plupart de leurs propriétés physiques et chimiques, comme les vitesses de réaction. Un autre exemple est la température d'ébullition de deux corps qui ne diffèrent que par un isotope ; ceux-ci ont des températures d'ébullition légèrement différentes, ce qui a permis les premiers enrichissements isotopiques par distillation à l'aide d'une colonne de distillation à bande tournante^[1].

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 ou par centrifugation et ainsi de les distinguer.

Stabilité

Il existe 80 éléments chimiques ayant au moins un isotope stable, de l'hydrogène ₁H au plomb ₈₂Pb. Le technétium ₄₃Tc et le prométhium ₆₁Pm n'ont, quant à eux, aucun isotope stable.

Le noyau d'un atome est constitué d'une part de protons qui se repoussent sous l'action de l'interaction électromagnétique (les charges électriques de même nature se repoussent) mais qui s'attirent sous l'action de l'interaction forte. Dans un noyau, la stabilité est donc assurée par l'interaction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres, diminuent l'intensité de la répulsion électromagnétique entre les protons, 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 ₂₁Sc, 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) en nombre égal à un des « nombres magiques » suivants :

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Selon les théories actuelles, ces valeurs correspondraient à des noyaux possédant des couches complètes de neutrons ou de protons.

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

Utilisation ; analyse isotopique

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 atomique 12 (le « carbone 12 ») ; d'autre part, on peut trouver en faible quantité 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 et en émettant un rayonnement bêta.

Le rapport ¹⁸O/¹⁶O (par exemple dans les apatites des fossiles de vertébrés) permet, dans une certaine mesure de reconstituer certains paléoclimats^[2].

Dans le domaine de l'évaluation environnementale, l'analyse isotopique d'un organisme, du sol ou de sédiments permet de différentier la partie naturelle de la part anthropique d'une contamination par certains métaux, dont le plomb^[3]. Sur la base de signatures isotopiques particulières, on peut distinguer le plomb de céramiques, du plomb issu de la combustion du charbon et de l'essence^[3]. On peut ainsi tracer l'origine d'une pollution actuelle ou passée (déposée dans les sédiments). On a ainsi pu montrer que dans la Baie de San Simón (partie intérieure de la Ría de Vigo (NW Spain), selon les époques, l'homme a été responsable de 25 à 98 % des apports de plomb trouvé dans les échantillons de la zone intertidale, et de 9 à 84 % dans les échantillons subtidales. Les variations temporelles observées dans les carottes de sédiments ont pu être reliées d'abord aux retombées de fumées de combustion de charbon (60 à 70 % du plomb de la baie) avant la création d'une usine de céramique dans la région (dans les années 1970), qui est alors devenu la principale source de plomb (de 95 à 100 % des apports), avant qu'une nouvelle source soit dominante : l'essence plombée^[3]. L'histoire des immiscions de plomb dans l'environnement de cette baie a pu être ainsi déterminée pour tout le XX^e siècle, et même pour le XIX^e siècle pour la zone subtidale^[3].

La lutte contre les fraudes utilise la précision de ces analyses pour élucider des responsabilités criminelles (détermination de la marque d'une cartouche de chasse ou origine d'une balle à partir d'un échantillon de plomb) ou de fraudes alimentaires^[4] (par exemple l'analyse des rapports isotopiques stables (¹³C/¹²C et ¹⁵N/¹⁴N) d'échantillons de viande d'agneau (mesurée par spectrométrie de masse isotopique) permet de confirmer ou infirmer une origine géographique ou même de savoir si l'animal a uniquement tété le lait de sa mère, ou reçu des supplémentations solides (maïs, soja…) ou été nourri d'herbe naturelle^[4]…
Ces analyses permettent aussi de différencier certains types d'agneau, mais aussi de vin, de jus de fruits, de miel^[4] ou de produits laitiers et fromages (dont AOC par exemple^[5]).
Un simple échantillon haché solide suffit et permet d'acquérir l'information pour un grand nombre de métabolites (acides aminés, acides gras, sucres, etc.)^[6].

Séparation des isotopes par centrifugation

La proportion de l'isotope stable par rapport à l'isotope instable est la même dans l'atmosphère et dans les tissus des êtres vivants mais elle varie régulièrement au cours du temps à la mort de l'individu puisque les échanges sont stoppés. C'est sur cette variation que se base la plus connue des méthodes de datation radioactive par couple d'isotopes, qui est la méthode de datation par le 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 des isotopes ²³⁵U et ²³⁸U de l'uranium, aussi appelé enrichissement ; cette séparation est obtenue par diffusion gazeuse ou par centrifugation d'hexafluorure d'uranium UF₆.

La centrifugation est obtenue par une cascade de centrifugeuses qui élèvent petit à petit le taux de U 235 dans le mélange U 235-U 238 qui peut servir pour un enrichissement de 5 % à des applications civiles de fission ou à 90 % pour des applications militaires.

Les centrifugeuses sont des cylindres étroits tournant à vitesse élevée. La force centrifuge est égale à M.ω².r où M est la masse unitaire, ω la vitesse angulaire de rotation et r le rayon du cylindre. Pour éviter une rupture mécanique on choisit r petit et, afin d'avoir une force appréciable, on choisit ω très élevée (la force est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation). Le taux d'enrichissement recherché est obtenu en disposant une quantité importante de centrifugeuses en série (des milliers). Ce mode de séparation est utilisé par des industriels canadiens, russes, européens.

Notes et références

↑ Milton H. Wahl and Harold C. Urey (1935). J. Chem. Phys. 3, 411. The Vapor Pressures of the Isotopic Forms of Water. http://jcp.aip.org/resource/1/jcpsa6/v3/i7/p411_s1.
↑ Živilė ŽIGAITĖ, Le rapport ¹⁸O/¹⁶O dans les apatites des vertébrés du Paléozoïque : possibilités et limites des reconstitutions paléoclimatiques ; Palaeoclimate and Stable Isotope Geochemistry
1 2 3 4 P. Álvarez-Iglesias, B. Rubio, J. Millos, Isotopic identification of natural vs. anthropogenic lead sources in marine sediments from the inner Ría de Vigo (NW Spain) ; Science of The Total Environment Volume 437, 15 October 2012, Pages 22–35
1 2 3 E. Piasentier, R. Valusso, F. Camin, G. Versini, Stable isotope ratio analysis for authentication of lamb meat ; Meat Science, Volume 64, Issue 3, July 2003, Pages 239–247 ([Résumé])
↑ M.A Brescia, M Monfreda, A Buccolieri, C Carrino, Characterisation of the geographical origin of buffalo milk and mozzarella cheese by means of analytical and spectroscopic determinations ; Food Chemistry Volume 89, Issue 1, January 2005, Pages 139–147 (résumé)
↑ D. Sacco, M.A. Brescia, A. Buccolieri, A. Caputi Jambrenghi, Geographical origin and breed discrimination of Apulian lamb meat samples by means of analytical and spectroscopic determinations ; Meat Science Volume 71, Issue 3, November 2005, Pages 542–548 (Résumé)

Voir aussi

Isobare (chimie)
Isotone
Classification périodique des éléments

Lien externe

(en) The Isotopes Project Home Page (Compilation et diffusion de données sur les isotopes)

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