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NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Isotopes

Géochimie isotopique

La composition isotopique des éléments n'est pas absolument constante dans la nature. Deux groupes de causes sont à l'origine de ces variations :

– la formation d'isotopes (stables ou instables), par suite de phénomènes nucléaires (par exemple, isotopes 206, 207, 208 du plomb, isotope 87 du strontium, isotope 14 du carbone, etc. ; cf. géochronologie, radioactivité) ;

– des différences de comportement entre les isotopes d'un même élément (cf. chap. 2, Effets isotopiques).

La constante K d'équilibre isotopique est peu différente de 1, de sorte que les variations isotopiques détectées dans la nature dépassent rarement quelques millièmes. K est fonction inverse de la température et tend vers 1 aux températures élevées.

Des différences de vitesse d'échange entre espèces isotopiques variées conduisent à des « fractionnements cinétiques » généralement plus importants que ceux qui sont constatés pour les systèmes en équilibre.

Système 13C/12C

Variations isotopiques du carbone 13, de l'oxygène 18 et du souffre 34 - crédits : Encyclopædia Universalis France

Variations isotopiques du carbone 13, de l'oxygène 18 et du souffre 34

Encyclopædia Universalis France

Les deux groupes essentiels où le carbone intervient sont les carbonates (calcaires, dolomies, carbonatites), les hydrocarbures et les « hydrates de carbone » naturels (fig. 1a). Les autres formes carbonées naturelles sont encore peu étudiées.

Pour les carbonates, les compositions isotopiques sont déterminées par le système CO2-HCO—3-CO32— en solution ; la température et l'origine du CO2 (et donc sa composition isotopique) sont les deux paramètres essentiels. Dans la plupart des cas, c'est le stock océanique de bicarbonate, à composition isotopique assez constante, qui définit les grandes lignes de l'évolution des systèmes ; mais, dans certains cas, où le CO2 provient surtout de l'activité bactérienne dans les sols et les vases, les carbonates ont une teneur en 13C beaucoup plus basse qui peut être un excellent indice pour déterminer leur origine.

D'une manière générale, la teneur en 13C varie avec le degré d'oxydation du carbone ; aussi la matière organique est-elle beaucoup moins riche en 13C que la plupart des carbonates. L'oxydation de tels carbones ne modifie pas leur composition isotopique. Les réactions de chimie organique s'accompagnent le plus souvent de fractionnement isotopique du carbone. Celui-ci est désormais largement utilisé dans la géochimie du pétrole et du charbon. Les variations de 13C/12C sont un excellent marqueur de l'évolution diagénétique de la matière organique.

Système 18O/16O

Les phénomènes à l'équilibre sont généralement interprétés par des processus physiques ou chimiques (fig. 1b).

Les processus physiques ont surtout été étudiés dans le cas de l'eau. Ils aboutissent aux différences relativement considérables de composition isotopique des eaux naturelles. L'évaporation conduit à un enrichissement de la phase vapeur en 16O et, corrélativement, de la phase liquide en 16O, le processus étant réglé par le tampon constitué par la vapeur atmosphérique. L'océan représente un volant isotopique considérable, n'accusant de fluctuations notables que sur ses marges (sous l'effet des influences contraires de l'évaporation et de l'apport d'eau d'origine météorique).

Tant pour l'abondance de 18O que pour celle de 2H (ou D), un certain nombre de constatations météorologiques ont été faites : les teneurs moyennes des eaux continentales diminuent avec l'abaissement de température, l'augmentation d'altitude ou de latitude. Ainsi, les précipitations polaires ou de haute montagne sont notablement moins riches en 18O (de quelques pour cents) que dans les régions tropicales et dans les plaines. Aussi la teneur en 18O (et en D ; voir également le tritium ci-dessous) est-elle un indicateur très précieux ayant maintes applications en hydrogéologie, météorologie, géotechnique...

En ce qui concerne[...]

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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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Classification

Pour citer cet article

René BIMBOT et René LÉTOLLE. NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) - Isotopes [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Média

Variations isotopiques du carbone 13, de l'oxygène 18 et du souffre 34 - crédits : Encyclopædia Universalis France

Variations isotopiques du carbone 13, de l'oxygène 18 et du souffre 34

Encyclopædia Universalis France

Autres références

  • ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

    • Écrit par Michel CROZON, Jean-Louis LACLARE
    • 3 528 mots
    • 3 médias
    ...qui permit de disposer de sources de particules de faible vitesse : particules α ou noyaux d'hélium (rayonnement α) et électrons (rayonnement β). La physique nucléaire expérimentale démarra avec l'étude des effets de ces rayonnements sur les noyaux atomiques. Très vite, on éprouva le besoin de changer...

  • ALPHA RAYONNEMENT

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 184 mots

    Rayonnement le moins pénétrant émis par les substances radioactives, sous la forme de noyaux d'hélium 4. Il avait été reconnu dès 1903 par Ernest Rutherford comme formé de particules chargées positivement et de masse proche de celle de l'atome d'hélium. La théorie de la désintégration...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
    • 6 931 mots
    • 4 médias
    Emilio Segrè - crédits : Keystone/ Getty Images
    Les antiprotons lents ouvrent des perspectives inédites en physique nucléaire. En frôlant les noyaux, les antiprotons peuvent exciter des niveaux d'énergie qui ne sont pas facilement accessibles avec des électrons ou des protons. L'annihilation d'un antiproton sur un noyau correspond à un dépôt très...

  • ASTRONOMIE

    • Écrit par James LEQUEUX
    • 11 339 mots
    • 20 médias
    Les relations entre l'astronomie et la physique nucléaire sont tout à fait comparables. La découverte de l'origine de l'énergie libérée par le Soleil a suivi de peu celle de la transmutation nucléaire, c’est-à-dire la possibilité pour un élément chimique de se transformer en un autre par modification...
  • Afficher les 55 références

Voir aussi

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