NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Isotopes

Le noyau est la partie centrale de l'atome autour de laquelle se déplacent les électrons. Le noyau est constitué de Z protons (chargés positivement) et de N neutrons (neutres électriquement). La masse atomique A du noyau est égale à la somme de N et de Z. Le nombre Z caractérise l'élément chimique, c'est aussi le numéro atomique dans la classification périodique (cf. éléments chimiques). On écrit par convention un élément chimique X sous la forme : ^A_ZX. Ainsi, tout atome dont le noyau a six protons (Z = 6) est un atome de l'élément carbone (C). Le carbone le plus répandu contient 6 neutrons (N = 6, A = 12), mais il existe des atomes de carbone qui ont une autre valeur pour N, notamment le carbone 14 (N = 8, A = 14) utilisé pour la datation des matières carbonées. De tels éléments sont appelés des isotopes. Ils ont les mêmes propriétés chimiques car leur nombre d'électrons (égal au nombre Z des protons du noyau) est le même.

Les petites différences observées proviennent des légers écarts entre les masses des atomes, qui peuvent avoir un effet sur les vitesses de réaction et les constantes d'équilibre.

Les propriétés physiques des isotopes présentent, quant à elles, des différences faibles mais déjà plus marquées, car les effets de masse se font sentir plus directement (masse volumique, température d'ébullition...).

Enfin, les propriétés nucléaires d'un isotope étant liées à la structure du noyau, un écart dans le nombre des neutrons se traduit par des différences importantes dans ces propriétés. En particulier, on distingue pour chaque élément, d'une part, les isotopes stables, tels que ²³Na, dont le noyau ne subit aucune modification au cours du temps en l'absence d'apport d'énergie extérieure (bombardement, irradiation), et, d'autre part, les isotopes radioactifs comme ⁶⁰Co, dont le noyau est instable et se transforme spontanément en un autre noyau par émission d'un rayonnement ou d'une particule.

L'ensemble de leurs propriétés ouvre aux isotopes un immense champ d'applications scientifiques, médicales et industrielles. La quasi-identité de leurs propriétés chimiques, alliée à la facilité de détection et de dosage des isotopes radioactifs, permet leur utilisation en chimie, comme traceurs ou au sein de molécules marquées, soit en recherche fondamentale (étude des vitesses de réaction, des structures moléculaires), soit en chimie appliquée (analyse, dosage par dilution isotopique).

La possibilité de transformer un isotope stable en un autre isotope radioactif, en le soumettant à une irradiation par des photons, des neutrons ou des particules chargées, est le principe de l'analyse par activation. L'isotope radioactif produit est identifié et mesuré grâce au rayonnement spécifique qu'il émet. Cette méthode d'analyse est valable pour tous les éléments (sauf H et He), quelle que soit leur forme chimique.

Les isotopes peuvent ainsi être utilisés dans presque toutes les applications de l'analyse chimique. Dans un grand nombre de cas, la méthode n'exige pas la destruction de l'échantillon, ce qui est très intéressant, notamment en biologie et en médecine où il est possible ainsi de doser et de suivre en fonction du temps la concentration d'un élément dans la matière vivante. Les applications en biologie et en médecine sont traitées dans l'article isotopes (biologie).

L'analyse isotopique des matériaux terrestres est un précieux outil pour le géologue : la proportion relative des divers isotopes d'un élément le renseigne sur les conditions de formation, l'âge et l'histoire de l'échantillon. Les procédés de datation par l'isotope 14 du carbone sont également employés en archéologie. Pour l'astrophysicien, la teneur en isotopes stables ou radioactifs des [...]