HYDROGÈNE (physique)

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Les isotopes naturels et artificiels de l’hydrogène

Il existe trois isotopes (atomes présentant le même nombre de protons et d’électrons mais pas le même nombre de neutrons) naturels de l’hydrogène. L’atome du plus fréquent (noté hydrogène 1H) a un noyau composé d’un unique proton.

Le deutérium (2H ou D, de numéro atomique 2) a été découvert en 1931 par le chimiste américain Harold Urey (1893-1981). Son noyau est composé d’un proton et d’un neutron ; très peu toxique, il n’est pas radioactif. Son abondance atomique sur Terre varie de 20 à 150 ppm (parties par millions), selon les molécules qui le contiennent, et est plus élevée dans l’eau de mer que dans le dihydrogène gazeux. Ces deux isotopes naturels stables sont apparus peu après l’explosion primordiale, le deutérium formé à plus haute température, précédant l’hydrogène 1H. On appelle « eau lourde » une eau enrichie en molécules D2O, utilisée notamment comme modérateur de neutrons dans certains réacteurs nucléaires.

Le troisième isotope naturel, le tritium, noté 3H ou T, a été découvert en 1934 par Ernest Rutherford (1871-1937). Il est instable et se transmute en hélium 3 (3He) par désintégration β avec une demi-vie de 12,3 années. Il est naturellement présent dans l’atmosphère terrestre comme produit issu du bombardement des atomes d’azote par les neutrons cosmiques. Sa concentration dans l’atmosphère est très faible et varie avec l’activité solaire. Abondamment utilisé dans des applications civiles ou militaires, il est produit industriellement dans les réacteurs à eau lourde par la réaction n + D → T + γ.

Les autres isotopes de l’hydrogène sont tous artificiels. Les isotopes 4H, 5H et 6H contenant trois, quatre ou cinq neutrons sont des éléments artificiels, produits par le bombardement de divers noyaux sur des cibles de tritium, qui se traduit par la capture de neutrons par ce dernier ; très instables, ces isotopes se désintègrent très rapidement par simple, double ou triple émission de neutrons, et ont des demi-vies de l’ordre de 10-22 seconde. Découvert en 2003, par une équipe internationale à l’institut Riken (Wako, Japon) l’isotope 7H est, parmi tous les noyaux d’atomes connus, celui dont le rapport neutrons/protons est le plus élevé et celui dont la demi-vie est la plus courte, de l’ordre de 1027 seconde. L’étude expérimentale de sa structure révèle un cœur de tritium entouré d’un halo de quatre neutrons, structure dont la compréhension défie tous les modèles nucléaires existants.

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Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

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Les modèles successifs de l’atome

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Expérience de Rutherford

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Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « HYDROGÈNE (physique) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 23 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrogene-physique/