NUCLÉAIRE (PHYSIQUE)Isotopes

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Effets isotopiques. Séparation des isotopes

Les effets isotopiques, différences de propriétés physiques ou chimiques existant entre les isotopes du même élément, résultent en totalité des écarts de masse des noyaux atomiques et de leurs conséquences sur les énergies vibrationnelles ou rotationnelles des molécules. Ces différences de propriétés peuvent être utilisées, et le sont souvent à l'échelle industrielle, pour séparer les isotopes. Certaines d'entre elles servent à l'analyse isotopique des échantillons.

Propriétés physico-chimiques

La première idée qui vient à l'esprit est d'utiliser les différences de masse des isotopes pour les séparer par centrifugation. Mais, malgré les facteurs de séparation relativement importants, les temps nécessaires pour réaliser l'équilibre constituent un inconvénient à l'utilisation industrielle de cette méthode.

L'effet des écarts de masse se fait également sentir lorsqu'on fait agir, sur des ions monocinétiques de différents isotopes, un champ magnétique perpendiculaire à la direction de leur mouvement. Sous l'action du champ, d'induction B, l'ion de charge e, de vitesse v et de masse m décrit une trajectoire circulaire de rayon r = mv/eB, tout en restant dans un plan perpendiculaire à B. Ce rayon étant proportionnel à m, on voit que les trajectoires des isotopes sont différentes. C'est le principe des spectromètres de masse. On recueille ensuite les différents isotopes soit en divers points d'un collecteur (spectromètre d'Aston), soit en un seul point, en ajustant la valeur de l'induction magnétique B pour une masse donnée (spectromètre de type Nier). On peut ainsi doser l'abondance isotopique en mesurant pour chaque masse le courant ionique reçu par le collecteur ; on peut même séparer des quantités pondérables d'isotopes, dans des séparateurs très puissants produisant des courants ioniques de l'ordre de quelques milliampères.

La vitesse de diffusion d'un gaz de masse moléculaire M à travers un trou de petite dimension étant proportionnelle à M—1/2, ce phénomène peut aussi être utilisé pour la séparation d'isotopes, le facteur de séparation obtenu étant égal à la racine carrée du rapport des masses. On accroît ce facteur en utilisant un grand nombre d'étages de séparation, ce qui est facile dans le cas considéré. Cette méthode est utilisée industriellement pour l'uranium, le gaz étant l'hexafluorure UF6 ; malgré les différences de masse minimes et les faibles dimensions des orifices diffusants, on arrive à produire, dans de gigantesques ensembles, des kilogrammes d'uranium 235 ou 238 isotopiquement purs.

La diffusion thermique dans un tube vertical au centre duquel est placé un fil chauffé à 500 0C permet d'enrichir isotopiquement de petites quantités de produits gazeux tels que H35Cl et H37Cl.

La distillation fractionnée dans des colonnes géantes de quinze mètres de haut est utilisée pour séparer, par exemple, les isotopes de l'oxygène. La hauteur d'un plateau théorique étant de 5 millimètres, une telle colonne équivaut à 3 000 plateaux dont chacun a un facteur de séparation de 1,025. L'enrichissement obtenu vaut alors (1,025)3000 = 1,4 × 1032, permettant d'obtenir 18O (abondance naturelle : 0,2 p. 100) à l'état pur, à partir d'eau ou de monoxyde de carbone liquide.

La méthode de distillation conviendrait également à la séparation de l'eau lourde (2H2O, ou D2O), mais on lui préfère généralement l'électrolyse qui, pratiquée couramment à d'autres fins dans l'industrie, aboutit à un enrichissement exceptionnellement rapide en hydrogène lourd de l'eau restant sous forme liquide. À partir de cent litres d'eau naturelle (abondance isotopique du deutérium : 0,0156 p. 100), on obtient, après réduction par électrolyse, 30 cm3 d'eau enrichie à 90 p. 100 de deutérium, et finalement 1 cm3 d'eau lourde à 99,9 p. 100. La variation de la densité de l'eau qui passe de 1 à 1,1 est suffisante pour permettre de doser l'abondance du deutérium au cours du processus d'enrichissement.

Équilibres chimiques

Les écarts de masse des noyaux entraînent des différences dans les fréquences de vibration et de rotation des molécules non identiques isotopiquement (cf. thermodynamique). Or, si l'on considère une réaction chimique réversible, les proportions des divers produits à l'équilibre sont directement lié [...]

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Écrit par :

  • : agrégé de sciences physiques, docteur ès sciences, maître de recherche au C.N.R.S.
  • : professeur à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie

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Pour citer l’article

René BIMBOT, René LÉTOLLE, « NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) - Isotopes », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-physique-isotopes/