Un isotope est une variante d’un élément qui a un poids atomique différent des autres variantes. À l’exception de la forme la plus courante d’hydrogène – qui n’a qu’un proton – chaque noyau atomique dans la matière normale est composé à la fois de protons et de neutrons. Les isotopes d’un élément donné ont le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Ils ont essentiellement les mêmes propriétés chimiques, mais diffèrent légèrement dans leurs caractéristiques physiques, telles que le point de fusion et le point d’ébullition. Certains isotopes sont instables et ont tendance à se désintégrer en d’autres éléments, dégageant des particules ou des radiations subatomiques; ceux-ci sont radioactifs et sont connus sous le nom de radio-isotopes.
Lorsque les scientifiques se réfèrent à un isotope particulier d’un élément, le nombre de masse, ou le nombre de protons plus le nombre de neutrons, apparaît en haut à gauche, à côté du symbole de l’élément. Par exemple, la forme de l’hydrogène qui a un proton et un neutron s’écrit 2H. De même, 235U et 238U sont deux isotopes différents de l’uranium. Ceux-ci sont aussi communément écrits comme uranium-235 et uranium-238.
Le noyau atomique
Les neutrons sont électriquement neutres, mais les protons ont une charge électrique positive. Comme les charges se repoussent, un noyau contenant plus d’un proton a besoin de quelque chose pour empêcher ces particules de s’envoler. Ce quelque chose s’appelle la force nucléaire forte, parfois appelée simplement la force forte. Elle est beaucoup plus forte que la force électromagnétique qui est responsable de la répulsion entre les protons, mais contrairement à cette force, elle a une portée très courte. La force forte lie les protons et les neutrons ensemble dans le noyau, mais la force électromagnétique veut séparer les protons.
Noyaux stables et instables
Dans les éléments plus légers, la force forte est capable de maintenir le noyau ensemble tant qu’il y a suffisamment de neutrons pour diluer la force électromagnétique. Typiquement, dans ces éléments, le nombre de protons et de neutrons est à peu près le même. Dans les éléments plus lourds, il doit y avoir un excès de neutrons pour assurer la stabilité. Au-delà d’un certain point, cependant, il n’y a pas de configuration qui fournisse un noyau stable. Aucun des éléments plus lourds que le plomb n’a d’isotope stable.
Trop de neutrons peuvent également rendre un isotope instable. Par exemple, la forme la plus courante d’hydrogène a un proton et aucun neutron, mais il existe deux autres formes, avec un et deux neutrons, appelées respectivement deutérium et tritium. Le tritium est instable car il contient trop de neutrons.
Lorsqu’un noyau instable ou radioactif se désintègre, il se transforme en noyau d’un autre élément. Il existe deux mécanismes par lesquels cela peut se produire. La désintégration alpha se produit lorsque la force puissante ne peut pas maintenir ensemble tous les protons d’un noyau. Au lieu de simplement jeter un proton, cependant, une particule alpha composée de deux protons et de deux neutrons est éjectée. Les protons et les neutrons sont étroitement liés et la particule alpha est une configuration stable.
La désintégration bêta se produit lorsqu’un noyau a trop de neutrons. L’un des neutrons se transforme en un proton, qui reste dans le noyau, et un électron, qui est éjecté. Dans le tritium, par exemple, l’un de ses deux neutrons se transformera tôt ou tard en un proton et un électron. Cela donne un noyau avec deux protons et un neutron, qui est une forme d’hélium, connue sous le nom de 3He ou hélium-3. Cet isotope est stable, malgré l’excès de protons, car le noyau est suffisamment petit pour que la force puissante le maintienne ensemble.
Demi-vies
Il existe une incertitude fondamentale quant au temps qu’il faudra à un noyau instable individuel pour se désintégrer ; cependant, pour un isotope donné, le taux de désintégration est prévisible. Il est possible de donner une valeur très précise du temps qu’il faudra à la moitié d’un échantillon d’un isotope particulier pour se désintégrer en un autre élément. Cette valeur est connue sous le nom de demi-vie et peut varier d’une infime fraction de seconde à des milliards d’années. La forme la plus courante de l’élément bismuth a une demi-vie un milliard de fois plus longue que l’âge estimé de l’univers. Il était autrefois considéré comme l’élément stable le plus lourd, mais il s’est avéré être très légèrement radioactif en 2003.
Propriétés
Outre le problème de la radioactivité, différents isotopes d’un élément présentent des propriétés physiques différentes. Les formes plus lourdes, avec plus de neutrons, ont généralement des points de fusion et d’ébullition plus élevés, en raison du fait qu’il faut plus d’énergie pour faire bouger leurs atomes et molécules assez rapidement pour provoquer un changement d’état. Par exemple, « l’eau lourde », une forme d’eau dans laquelle l’hydrogène normal est remplacé par le deutérium plus lourd, gèle à 38.9 °F (3.82 °C) et bout à 214.5 °F (101.4 °C), par opposition à 32 °C. F (0°C) et 212°F (100°C), respectivement, pour l’eau ordinaire. Les réactions chimiques peuvent se dérouler légèrement plus lentement pour les isotopes plus lourds pour la même raison.
Les usages
L’isotope le plus connu est probablement le 235U, en raison de son utilisation dans l’énergie et l’armement nucléaires. Son instabilité est telle qu’il peut subir une réaction nucléaire en chaîne, libérant d’énormes quantités d’énergie. L’uranium enrichi est l’uranium avec une concentration plus élevée de cet isotope, tandis que l’uranium appauvri a une concentration beaucoup plus faible.
La datation radiométrique utilise les proportions de différents isotopes pour estimer l’âge d’échantillons, tels que des matériaux biologiques ou des roches. La datation au radiocarbone, par exemple, utilise l’isotope radioactif 14C, ou carbone-14, pour dater des matériaux contenant du carbone d’origine organique. L’âge et l’histoire géologique de la Terre sont connus en grande partie en comparant les proportions de divers isotopes dans des échantillons de roche.
En biologie et en médecine, de petites quantités d’isotopes légèrement radioactifs peuvent être utilisées comme marqueurs atomiques pour suivre le mouvement de diverses substances, telles que des médicaments, à travers le corps. Des isotopes plus fortement radioactifs peuvent être utilisés comme source de rayonnement pour détruire les tumeurs et les tumeurs cancéreuses. L’hélium-3, que l’on pense exister en grande quantité sur la Lune, est l’un des combustibles à long terme les plus prometteurs pour les réacteurs de puissance à fusion. Pour l’utiliser efficacement, il faudra cependant d’abord maîtriser d’autres formes de fusion.