NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Isotopes

Isotopes naturels et artificiels

Abondance naturelle

Le terme « abondance » s'applique au cas d'un élément ayant plusieurs isotopes stables ou radioactifs naturels primaires et désigne les proportions relatives de chacun d'entre eux dans un échantillon donné. Mais il faut distinguer de la notion d'abondance isotopique ainsi définie une autre notion également importante qui est le nombre d'isotopes stables pour un élément donné. Ce nombre, qui va de 0 (pour les éléments technétium, prométhéum et tous les éléments de numéro atomique Z supérieur à 83) à 10 dans le cas de l'étain (Z = 50), dépend exclusivement de la stabilité des édifices nucléaires constitués à partir du même nombre Z de protons. En particulier, il est nettement plus grand pour les éléments de Z pair et s'accroît encore pour des valeurs particulières de Z, dites magiques (Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82) conformément aux effets bien connus en physique nucléaire.

Les abondances isotopiques observées dans la nature s'expliquent par l'histoire des échantillons examinés, en particulier par la façon dont les éléments ont été formés, ou nucléosynthèse. Les abondances isotopiques, de même que l'abondance relative des éléments, servent donc de test aux théories de la synthèse des éléments.

On admet généralement que cette synthèse se produit au sein des étoiles. Dans les étoiles de première génération, composées principalement d'hydrogène et d'hélium, sont synthétisés les éléments légers. Les réactions nucléaires intervenant sont principalement la capture de proton ou de particule alpha, ce qui favorise la production des isotopes les plus légers de chaque élément, conformément à ce qui est observé dans la nature (92 p. 100 pour ²⁸Si, 4,7 p. 100 pour ²⁹Si, 3 p. 100 pour ³⁰Si). Les éléments lourds sont formés par captures successives de neutrons dans les étoiles dites de seconde génération, qui se condensent à partir des débris des premières après leur explosion (supernovae). Contrairement au précédent, ce dernier processus conduit à une abondance prédominante des isotopes les plus riches en neutrons. C'est également ce qui est observé dans la nature (de 0,052 p. 100 pour ¹⁵⁶Dy à 28 p. 100 pour ¹⁶⁴Dy), confirmant l'hypothèse de cette différence fondamentale dans les modes de synthèse des éléments lourds et des éléments légers.

On explique également le caractère général des abondances isotopiques observées dans les échantillons terrestres ou météoritiques par le fait que la synthèse des éléments était terminée lors de la séparation du Soleil et des planètes, il y a cinq milliards d'années environ. Cette abondance ne se retrouve d'ailleurs pas dans toutes les étoiles et, pour certaines, on a observé par spectroscopie des rapports isotopiques tels que ¹²C/¹³C = 4, alors que ce rapport est de l'ordre de 100 dans le système solaire.

Les anomalies de composition isotopique et la présence d'isotopes radioactifs dans les météorites servent en outre à l'étude du rayonnement cosmique auquel elles ont été soumises avant leur chute sur la Terre.

Production et détection des isotopes artificiels

Par opposition avec les isotopes « naturels » qu'on peut trouver sur la Terre, on appelle « artificiels » les isotopes radioactifs (radio-isotopes) que l'on ne peut obtenir que par réactions nucléaires. Remarquons que ces isotopes peuvent également exister dans la nature, au sein des étoiles, comme les observations spectrales l'ont établi pour l'élément technétium, et que leur période de désintégration, faible par rapport à l'âge de la Terre, est dans certains cas la seule raison de leur disparition de la surface du globe.

La méthode la plus utilisée pour produire des isotopes radioactifs est l'irradiation par des neutrons thermiques, en raison des flux élevés de neutrons dont on peut disposer dans les réacteurs. On obtient ainsi, par capture radiative (n, γ), les isotopes de l'élément cible possédant un neutron de plus que les isotopes stables, ainsi que les produits de leur désintégration radioactive, généralement β^—. Le symbole (a, b) schématise l'absorption de l'« élément » a et l'émission de l'« élément » b dans la réaction [...]

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