Isotope

Figure 1. Les noyaux des trois isotopes du carbone les plus courants.

Le nombre de protons dans le noyau d'un atome établit ses réactions chimiques. En d'autres termes, le nombre de protons détermine l'élément. Les isotopes d'un élément sont des atomes avec le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Le changement du nombre de neutrons dans un atome modifiera la masse atomique de cet atome.

Toute la matière est composée d'atomes dans divers configurations. Les atomes ont des protons et des neutrons dans un noyau dense au centre, et des électrons dans les orbitales autour du noyau. Chaque proton porte une charge positive de « +1 », chaque électron a une charge négative de « -1 », et les neutrons ne possèdent pas de charge (charge neutre - neutron). Les atomes d'un même élément ont tous le même nombre de protons, par définition, car les éléments sont définis par le nombre de protons qu'ils possèdent. L'attribution d'un nombre différent de neutrons dans le noyau n'affectera pas la charge de l'atome. Au lieu de cela, les isotopes différents ont une masse différente et des tendances différentes à la désintégration radioactive, ou au changement avec le temps.

Les isotopes différents ont des propriétés chimiques très similaires car la chimie est déterminée par la charge électrique. Cela rend la séparation chimique des isotopes très difficile. À titre d'exemple, l'hydrogène ne possède qu'un seul proton. Il existe trois isotopes de l'hydrogène dans la nature. L'isotope le plus courant est le protonium, qui possède un proton et ne contient pas de neutrons. La deuxième forme la plus fréquente de l'hydrogène contient un proton et un neutron et s'appelle deutérium. Finalement, le tritium est la forme radioactive de l'hydrogène qui se trouve dans la nature, constituée d'un proton et de deux neutrons. Notez que toutes les trois formes d'hydrogène ne contient qu'un seul proton, ce qui est la caractéristique distinctive de l'hydrogène. Il existe de très légères différences chimiques en raison de ces variations. Par exemple, le point d'ébullition de l'eau contenant du deutérium (100,7 °C) est légèrement supérieur au point d'ébullition de l'eau contenant uniquement du protonium (100 °C). Cette légère différence est plus prononcée dans l'hydrogène que dans les éléments plus lourds. Les isotopes peuvent être stables ou instables. Les isotopes instables sont ceux qui subissent une désintégration radioactive et, lors de ce processus, se transforment en d'autres éléments. Certains isotopes instables ont des demi-vies très courtes (moins d'une nanoseconde), tandis que d'autres en ont de très longues (des billions d'années). Les isotopes stables ne se désintègrent pas avec le temps et sont les isotopes les plus courants de tous les éléments.

Les isotopes du carbone seront un bon exemple pour illustrer ce point. Les isotopes courants du carbone comprennent le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14, souvent écrits comme ¹²C, ¹³C et ¹⁴C. Ces types d'atomes ont respectivement 6, 7 et 8 neutrons. Le ¹²C est l'isotope du carbone le plus courant dans la nature. Le ¹⁴C est connu pour son utilisation pour la datation radioactive archéologique, où l'on utilise sa demi-vie. (Voir hyperphysics pour plus d'informations sur la datation au carbon).

Dans la production d'énergie nucléaire, un isotope spécifique de l'uranium, le ²³⁵ U, est le plus souvent utilisé. C'est le seul noyau fissile naturel trouvé sur Terre (mais il existe d'autres isotopes fissiles du plutonium créé par les êtres humains). Dans la nature, l'uranium existe sous forme d'un mélange de ²³⁸U, ²³⁵U et ²³⁴U. Le ²³⁸U est de loin le plus répandu. L'uranium utilisé pour la production de l'énergie nucléaire dans la plupart des réacteurs nucléaires est traité pour avoir un rapport de ²³⁵U aux autres isotopes plus élevé que celui qui se produit normalement dans la nature. Ce processus s'appelle l'enrichissement de l'uranium et est une tâche technique difficile.

Phet sur la construction des isotopes

L'Université du Colorado nous a gracieusement autorisés à utiliser la simulation Phet suivante, qui explore la construction des isotopes différents avec un nombre différent de protons et de neutrons:

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