Isotope — Wikipédia

Quelques isotopes de l'oxygène, de l'azote et du carbone.

Deux nucléides d'un même élément chimique sont dits isotopes s'ils partagent le même nombre de protons, Z, mais ont des nombres différents de neutrons, N[1].

Par extension, un isotope est une classe d'atomes caractérisée par son nombre de protons Z et son nombre de neutrons N[2], sans distinction concernant le spin ou l'état énergétique.

Contexte —  En physique nucléaire et en chimie, chaque noyau d'atome ou nucléide est défini par son nombre de protons Z (appelé aussi numéro atomique, qui définit d'ailleurs le type d'élément chimique), son nombre de neutrons N, son spin s et son niveau énergétique.

Les isotopes ne doivent pas être confondus avec :

  • les isotones, nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différent (Z ≠ Z' mais N = N') ;
  • 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') ;
  • les isomères, nucléides ayant le même nombre de protons Z et le même nombre de neutrons N (donc aussi le même nombre de masse A), mais pas le même spin ni le même niveau énergétique.

Désignation et notation

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Désignation

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Un isotope est désigné par le nom de l'élément chimique suivi du nombre de masse de l'isotope : carbone 14, oxygène 18, uranium 235etc.

Aux débuts de l'histoire de la radioactivité, certains isotopes provenant de la désintégration d'éléments lourds comme l'uranium ou le thorium ont reçu des noms traduisant cette origine, par exemple actinium X pour le radium 223 (produit de la désintégration de l'actinium 227), thorium X pour le radium 224 (produit par le thorium 228) et mésothorium I pour le radium 228 (produit par le thorium 232). Ces noms ne sont plus employés.

Chaque isotope est représenté par un symbole A
Z
M
composé de :

Le carbone 12 et le carbone 14, deux isotopes de l'élément carbone, sont ainsi notés 12
6
C
et 14
6
C
. Le numéro atomique est souvent omis, car redondant avec le symbole chimique[a] : 12C et 14C, par exemple.

Cas particulier de l'hydrogène

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Les isotopes naturels de l'hydrogène sont l'hydrogène 1 (1H), l'hydrogène 2 (2H) et l'hydrogène 3 (3H), mais on les désigne plus fréquemment par les noms de protium, deutérium et tritium. L'IUPAC admet aussi — sans toutefois le recommander — l'usage des symboles D et T pour le deutérium et le tritium, le symbole H représentant alors le protium et non plus l'élément hydrogène[b].

Cet usage particulier est dû à l'effet isotopique particulièrement marqué pour l'hydrogène, qui se traduit par une modification substantielle des propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène et de ses composés quand on y remplace le protium par le deutérium ou le tritium[c].

Propriétés

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Les propriétés des atomes étant essentiellement régies par leurs cortèges électroniques, les isotopes d'un même élément chimique ont essentiellement les mêmes propriétés physiques et chimiques, qualitativement et quantitativement[d]. La différence de masse entre isotopes, parce qu'elle affecte l'énergie cinétique des atomes et des molécules, entraîne cependant de légères différences de propriétés, appelées effets isotopiques. Ces effets sont d'autant plus importants que la différence relative de masse est grande ; ils sont donc maximaux pour l'hydrogène (la masse de 2H est le double de celle de 1H) et minimaux pour les éléments les plus lourds (la masse de 235U, par exemple, n'est supérieure à celle de 234U que de 0,4 %).

  • Un premier effet concerne les propriétés à l'équilibre. Quand dans un corps simple on remplace un atome par un isotope plus lourd, on augmente notamment, mais légèrement, les températures de fusion et d'ébullition, ainsi que les chaleurs latentes correspondantes (de fusion et de vaporisation). Leurs valeurs sont ainsi de 3,81 °C, 101,42 °C, 6,132 kJ/mol et 41,521 kJ/mol pour l'eau lourde 2H216O, contre °C, 100 °C, 6,007 kJ/mol et 40,657 kJ/mol pour l'eau légère 1H216O.
  • Un second effet concerne la vitesse des processus de retour à l'équilibre (écoulement, diffusion, réactions chimiques, etc.). Quand dans un corps simple on remplace un atome par un isotope plus lourd, toutes ces vitesses sont diminuées. La viscosité de l'eau à 20 °C est ainsi de 1,246 7 × 10−3 Pa s pour l'eau lourde, contre 1,001 6 × 10−3 Pa s pour l'eau légère.

Ces effets sont mis à profit pour séparer les isotopes (pour la recherche, la médecine et l'industrie nucléaire, notamment). Les températures d'ébullition légèrement différentes ont par exemple permis les premiers enrichissements isotopiques par distillation à l'aide d'une colonne de distillation à bande tournante[3]. L'enrichissement en 235U de l'uranium naturel se fait aujourd'hui par diffusion thermique, diffusion à l'état gazeux, centrifugation ou séparation électromagnétique.

Il existe 80 éléments chimiques ayant au moins un isotope stable, de l'hydrogène 1H au plomb 82Pb (81 éléments si l'on inclut le bismuth 83Bi[e]). Le technétium 43Tc, le prométhium 61Pm et tous les éléments de numéro atomique supérieur à 83 n'ont, quant à eux, aucun isotope stable.

Diagramme Z-N et vallée de stabilité des isotopes. Voir les détails sur le site suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/diagrammeNZ_1.swf

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.

Il existe des milliers de noyaux instables, de durée de vie très courte (jusqu'à 10−23 seconde), qui ne peuvent être produits qu'en laboratoire. On les qualifie de noyaux exotiques, notamment en raison de leurs propriétés spécifiques (grandes déformations, halos de neutron, etc.).

Table des isotopes

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Analyses isotopiques

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Les analyses isotopiques consistent à mesurer la composition isotopique d'un certain élément chimique dans un matériau (minéral, roche, tissu biologiqueetc.), ou bien seulement un ou quelques rapports isotopiques de cet élément. Elles servent à dater le matériau (sa formation ou certains événements qu'il a subis) ou à en établir l'origine.

La mesure d'une composition ou d'un rapport isotopique peut se faire in situ (directement sur le matériau) ou ex situ (sur un échantillon prélevé et préparé pour l'analyse). Les mesures in situ ont l'avantage de permettre une cartographie des rapports isotopiques, mais les mesures ex situ sont généralement plus précises.

Une large majorité des analyses isotopiques sont faites ex situ dans un spectromètre de masse : une partie des atomes d'un échantillon sont ionisés, les ions sont accélérés par un champ électrique indépendamment de leur masse puis les ions de masses différentes sont séparés par un champ magnétique et recueillis séparément, on mesure alors les nombres d'ions recueillis ayant les masses auxquelles on s'intéresse et on en calcule les rapports ou les proportions.

  • Dans les spectromètres de masse à source solide, l'échantillon est généralement un dépôt solide obtenu par dissolution acide d'un morceau du matériau étudié, séparation chimique dé l'élément chimique étudié, dépôt liquide sur un filament et séchage.
  • Dans les spectromètres de masse à source gazeuse, l'échantillon est le gaz (argon, xénon, dioxygèneetc.) se dégageant d'un morceau du matériau étudié, par chauffage progressif.

Outre la source des ions, les spectromètre diffèrent par leur tension accélératrice, la puissance de leur électroaimant et le processus de mesure des nombres d'ions. Les spectromètres de masse de dernière génération sont des appareils de très haute technologie, permettant la mesure des rapports isotopiques avec une précision de l'ordre du millionième.

Les analyses isotopiques in situ sont réalisées à l'aide d'une sonde ionique. Un fragment de l'objet étudié est bombardé par un faisceau d'ions (d'un même élément chimique qu'on n'analysera pas) et émet un faisceau d'ions « secondaires » représentatif de la composition chimique et isotopique de la surface de l'objet. Ces ions sont ensuite analysés « en vol » par spectrométrie de masse.

Une méthode complètement différente des précédentes est la mesure de vibrations atomiques dans un microscope électronique, décrite en 2022. Il devient possible d'identifier les isotopes chimiques à une échelle sub-nanométrique. Ceci devrait permettre, à cette résolution, de construire et suivre des domaines isotopiques[4].

Applications

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Un exemple très connu de couple d'isotopes est constitué par le carbone : le carbone est présent en grande majorité sous son isotope de masse atomique 12 (le « carbone 12 ») ; d'autre part, on peut trouver en faible quantité l'isotope de masse 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 14 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[5] ;
  • Dans le domaine médical (médecine légale, médecine du travail, toxicologieetc.) l'analyse isotopique permet de différencier diverses sources de contamination, et souvent d'identifier ainsi la source d'une intoxication[6].
  • Dans le domaine de l'évaluation environnementale, l'analyse isotopique d'un organisme, du sol ou de sédiments permet de différencier la partie naturelle de la part anthropique d'une contamination par certains métaux, dont le plomb[7]. 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[7]. 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 située au nord-ouest de l'Espagne), 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 subtidaux. 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 devenue la principale source de plomb (de 95 à 100 % des apports), avant qu'une nouvelle source soit dominante : l'essence plombée[7]. L'histoire des immiscions de plomb dans l'environnement de cette baie a pu être ainsi déterminée pour tout le XXe siècle, et même pour le XIXe siècle pour la zone subtidale[7].
  • L'analyse isotopique est utilisée dans les études du réseau trophique. En effet, les consommateurs présentent une signature isotopique directement reliée à celle de leurs aliments (elle en diffère peu, et suivant une loi connue). En analysant les rapports isotopiques d'un consommateur et de ses aliments potentiels, il est possible de reconstituer le régime probable du consommateur[8].
  • 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[9] (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[9]
    Ces analyses permettent aussi de différencier certains types d'agneau, mais aussi de vin, de jus de fruits, de miel[9] ou de produits laitiers et fromages (dont AOC par exemple[10]).
    Un simple échantillon haché solide suffit et permet d'acquérir l'information pour un grand nombre de métabolites (acides aminés, acides gras, sucres, etc.)[11].

Analyses isotopiques en archéologie

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Depuis les années 90, l’archéologie a connu de nombreuses avancées en termes de techniques d’analyse, ce qui a non seulement permis de dater des échantillons, mais aussi d’obtenir des informations sur l’alimentation des populations animales et humaines[12]. Il est donc possible de savoir quel régime alimentaire a été suivi par un individu à une époque et à une localisation donnée et ce à différents moments de sa vie selon le tissu squelettique étudié[13]. En effet, la composition chimique des ossements dépend en partie des aliments consommés durant la vie et plus généralement de l’environnement de vie[12]. Avec ces informations, il est possible de faire un lien entre l’alimentation et la place de l’individu en s’appuyant sur d’autres ressources archéologiques[14].

L’analyse isotopique est l’une des méthodes les plus utilisées en archéologie à ce jour. Elle est utilisée entre autres à Grenoble au musée archéologique Saint-Laurent. Ce lieu n'est pas un simple musée puisque des recherches en archéologie sont encore en cours. En complément de cette méthode utilisant des isotopes, on peut s’appuyer sur l’usure dentaire et la présence de caries[13].

En archéologie, l’analyse isotopique consiste à déterminer après extraction du collagène d’ossements et de dents fossilisées différents rapports isotopiques : 13C/14C, 13C/15N, 15N/14N, 87Sr/86Sr , Sr/Ca, 18O/16O. Elle est également utilisée pour étudier des tissus humains tels que les cheveux et la peau, remarquablement conservés dans des milieux humides, désertiques ou gelés[15]. L’analyse du rapport 13C/14C, plus connue sous le nom la datation par carbone 14, et l’analyse du rapport 87Sr/86Sr donne accès à l’âge des échantillons. L’analyse des rapports 13C/15N, 15N/14N, Sr/Ca permettent quant à eux d’en apprendre plus sur le régime alimentaire associé aux échantillons retrouvés. Plus particulièrement, le rapport 13C/15N permet de distinguer les régimes alimentaires des carnivores aux herbivores et met en lumière la consommation de certaines plantes telles que les plantes marines, de climat tempéré ou tropical[15].

Séparation des isotopes

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Pour la recherche (étude des propriétés d'un isotope particulier ou préparation de traceurs isotopiques), pour les applications médicales et pour l'industrie nucléaire civile (réacteurs) ou militaire (bombes A), on a besoin, à partir d'une substance ayant une certaine composition isotopique pour un certain élément (généralement sa composition naturelle), de l'enrichir en l'un de ses isotopes, voire de séparer le plus complètement possible un ou plusieurs isotopes.

Quand les quantités à produire sont relativement faibles (du gramme au kilogramme), la séparation des isotopes d'une substance peut se faire par spectrométrie de masse, en utilisant des spectromètres de masse fondés sur le même principe que ceux utilisés pour la mesure des compositions isotopiques, mais adaptés à la récolte des isotopes séparés par le champ magnétique de l'aimant du spectromètre, à une échelle semi-industrielle.

Pour des quantités plus importantes, notamment pour enrichir l'uranium en uranium 235 dans l'industrie nucléaire, on utilise surtout la diffusion et la centrifugation, appliquées à l'hexafluorure d'uranium gazeux.

Applications

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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 radiométrique 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

Notes et références

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  1. On indique le numéro atomique quand il aide à la compréhension, et notamment dans les réactions nucléaires et les réactions de désintégration pour comprendre le sort de chaque type de particule (proton ou neutron).
  2. On écrit ainsi H2O, HDO et D2O les formules chimiques de l'eau légère, de l'eau semi-lourde et de l'eau lourde. Quand on n'utilise pas les symboles D et T, H2O représente la formule de l'eau quelle que soit la composition isotopique de son hydrogène.
  3. L'effet isotopique est très notable aussi, quoique déjà moins, pour l'hélium, le lithium et le béryllium, mais ces éléments n'ont pas la même importance dans la nature et dans les applications.
  4. Compte tenu du rapport des masses, pour ce qui concerne les grandeurs par unité de masse.
  5. On sait depuis 2003 que le bismuth 209 est radioactif, mais sa demi-vie est tellement grande (19 × 1018 années donc plus d'un milliard de fois l'âge de l'univers !) que pour toute considération pratique on peut le considérer comme stable.

Références

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  1. IUPAC, « isotopes » (consulté le )
  2. « Isotope », dictionnaire Larousse (consulté le )
  3. 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 »(Archive.orgWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?).
  4. (en) Jordan A. Hachtel, « Isotopes tracked on a sub-nanometre scale using electron spectroscopy », Nature, vol. 603, no 7899,‎ , p. 36–37 (DOI 10.1038/d41586-022-00545-1, lire en ligne, consulté le ).
  5. Živilė Žigaité, Le rapport 18O/16O dans les apatites des vertébrés du Paléozoïque : possibilités et limites des reconstitutions paléoclimatiques ; Palaeoclimate and Stable Isotope Geochemistry
  6. S. C. Maisant, A. F. Villa, J. Poupon, J. Langrand et R. Garnier, « L’analyse isotopique du plomb: un outil utile en santé au travail quand les sources d’exposition au plomb sont multiples », Archives des Maladies Professionnelles et de l'Environnement, vol. 77, no 3,‎ , p. 485 (résumé).
  7. a b c et d (en) P. Álvarez-Iglesias, B. Rubio et 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, vol. 437,‎ , p. 22-35.
  8. N Hette-Tronquart, J Belliard, Caractérisation des réseaux trophiques en cours d’eau, 2016 ([1])
  9. a b et c 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])
  10. 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)
  11. 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)
  12. a et b Estelle Herrscher, « Détection isotopique des modalités d’allaitement et de sevrage à partir des ossements archéologiques », Cahiers de Nutrition et de Diététique, vol. 48, no 2,‎ , p. 75–85 (DOI 10.1016/j.cnd.2012.12.004, lire en ligne, consulté le )
  13. a et b Estelle Herrscher, « Alimentation d’une population historique: Analyse des données isotopiques de la nécropole Saint-Laurent de Grenoble (XIIIe – Xe siècle, France) », Bulletins et mémoires de la société d'anthropologie de Paris, vol. 15, nos 3-4,‎ , p. 149–269 (ISSN 0037-8984 et 1777-5469, DOI 10.4000/bmsap.550, lire en ligne, consulté le )
  14. Estelle Herrscher, Hervé Bocherens, Frédérique Valentin et Renée Colardelle, « Comportements alimentaires au Moyen Âge à Grenoble : application de la biogéochimie isotopique à la nécropole Saint-Laurent (XIIIe – XVe siècles, Isère, France) », Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series III - Sciences de la Vie, vol. 324, no 5,‎ , p. 479–487 (DOI 10.1016/S0764-4469(01)01316-6, lire en ligne, consulté le )
  15. a et b François Djindjian, Manuel d'archéologie, Armand Colin, (ISBN 978-2-200-26676-9, DOI 10.3917/arco.djind.2011.01, lire en ligne)

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Articles connexes

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Liens externes

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