En physique nucléaire et en chimie, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par le numéro atomique Z, qui identifie l'élément chimique auquel l'atome appartient. Deux isotopes ont le même nombre Z et sont alors du même élément. Ce qui distingue deux isotopes est qu'ils ont un nombre de masse A différent. Le nombre de masse d'un atome est le nombre de nucléons que contient le noyau de cet atome. La différence de nombre de masse est par conséquent due à une différence dans le nombre de neutrons N.

En mots plus simples, ce sont des atomes qui se différencient seulement par leur nombre de neutrons, exception faite des cas d'ionisation (où on a aussi des nombres d'électrons différents).

Notation

Les isotopes sont désignés par leur symbole chimique, complété :

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

Le carbone 14, noté , et le carbone 12, noté , sont ainsi des isotopes de l'élément carbone. Le numéro atomique est le plus souvent omis, car redondant avec le symbole chimique.

Les isotopes les plus courants de l'hydrogène sont aussi notés selon ce principe : ²H pour le deutérium et ³H pour le tritium ; l'UICPA admet cependant (mais sans le recommander) l'usage respectivement des symboles D et T pour le deutérium et le tritium, à cause de l'effet isotopique marqué de ces isotopes comparé au protium.

Propriétés

Les propriétés chimiques des isotopes d'un même élément sont semblables car ces isotopes ont le même nombre d'électrons (et de protons).

En revanche, comme le noyau ne comporte pas le même nombre de neutrons, la masse des atomes fluctue. Cette différence de masse atomique sert à séparer les isotopes d'un même élément par spectrométrie de masse ou par centrifugation et ainsi de les distinguer. Qui plus est , la proportion de neutrons dans le noyau peut rendre l'atome instable : c'est pourquoi ils peuvent être radioactifs.

Stabilité

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

Le noyau d'un atome est constitué de protons qui se repoussent sous l'effet de l'interaction électromagnétique (les charges électriques de même nature se repoussent) mais qui s'attirent sous l'effet de l'interaction forte ; il contient aussi des neutrons qui s'attirent sous l'effet de l'interaction forte mais ne sont pas (très particulièrement peu) concernés par l'interaction électromagnétique. Dans un noyau, la stabilité est par conséquent assurée par l'interaction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres par leur seule présence, diminuent l'interaction 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 environ 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 spécifiquement stables contiennent des protons ou des neutrons (ou les deux) égal à un des nombres (dit magiques) de la série :

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 ;

Pourquoi ces valeurs : Elles correspondent à des noyaux possédant des couches complètes de neutrons ou de protons. Les règles de couches pleines sont assez simples et assez identiques à celles des couches d'électrons Pour retrouver ces valeurs on considère les couches successives du centre vers la périphérie du noyau : s1/2 p3/2 1/2 d5/2 3/2 f7/2 5/2 g9/2 7/2 h11/ 9/2.

Les règles :

Le niveau s contient 1+ 1/2.2 protons et ou neutrons soit 2 et forme 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 aisément 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^e couche et il faut ajouter à cette couche g9/2 soit 10 nucléons ainsi la 4^e 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 de 126. On y trouve surtout le plomb 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 trouvent des noyaux déformés en cigare ou en soucoupe, moins stables. Le noyau à 126 protons n'a pas pu être créé toujours ; il sera instable probablement 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 ; analyse isotopique

Un exemple particulièrement 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.

La proportion de l'isotope stable comparé à l'isotope instable est la même dans l'atmosphère et dans les tissus des êtres vivants mais elle fluctue 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 sans doute l'application principale du concept d'isotope. Les traceurs isotopiques sont une autre application de ce concept.

Une application majeure est la séparation des isotopes 235 et 238 de l'uranium, aussi nommé enrichissement ; cette séparation est obtenue par diffusion gazeuse ou par centrifugation de UF₆.

Séparation des isotopes par centrifugation

La centrifugation est obtenue par une cascade de centrifugeuses qui élèvent progressivement le taux de U 235 dans le mélange 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 élevée. La force centrifuge est égale à M. w². r où M est la masse unitaire, w 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 w particulièrement 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…

Anecdotes

Dans la série animée les Simpson, l'équipe de baseball de Springfield se nomme Les Isotopes dont les sponsors ne sont autres que la centrale nucléaire de Springfield et la bière Duff.

Voir aussi

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