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LES ISOTOPES
Physique nucléaire
Chapitre 14
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LES ISOTOPES
Puisqu’un noyau portant un nombre précis de protons peut avoir un nombre variable de neutrons (les
isotopes), quelles sont les propriétés de ces isotopes ?
Comment les observe-t-on ?
Quelles sont les règles, les lois ou les forces qui déterminent le nombre d’isotopes ?
Existent-ils en égales proportions ?
Comment peut-on les séparer ?
Quels en sont les principaux usages ou les principales applications ?
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Spectrographe de BAINBRIDGE
®B
® - E+ Sélecteur de
vitesse Vide Plaque
détectrice
Source d’ions Fentes
accélératrices ¯
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Spectrographe d’ASTON
Plaque détectrice
Champ magnétique
®B
Fentes Champ
électrique -
+
R
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Les travaux de PROUST (1815)
PROUST nota que les poids atomiques avaient une préférence marquée pour les valeurs entières.
Il émit l’hypothèse que les atomes de tous les éléments sont construits avec la même particule fondamentale, probablement l’hydrogène, le plus léger de tous les atomes.
À mesure que les masses atomiques furent
connues de façon plus précise cette hypothèse
devint insoutenable puisque les valeurs entières
sont des exceptions.
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Les travaux d’ASTON
Les valeurs des différentes masses des atomes sont comparées à celle de l’isotope 12 de
l’atome de carbone.
La précision des mesures d’ASTON était de 1 pour 1 000. Il découvrit que le néon, de poids atomique chimique 20,20, mesuré par des
méthodes chimiques moins subtiles, était en fait
composé de trois isotopes de poids atomiques
20,00, 21,00 et 22,00.
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La règle du nombre entier
Tout élément dont le poids atomique chimique diffère d’un nombre entier, résulte d’un mélange d’isotopes, chacun d’eux ayant un poids atomique mesuré par un nombre entier.
L’expérience et les conclusions d’ASTON
donnèrent une vie nouvelle à l’hypothèse de
PROUST.
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Le choix de la référence
Proposition des chimistes : 16 pour l’oxygène naturel.
Proposition des physiciens : 16 pour l’isotope le plus important de l’oxygène.
Le compromis : 12 pour l’isotope le plus important du carbone (
IUPAC, Montréal 1961).
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Échelles comparées des références pour les masses atomiques
Élément Échelle des chimistes
Échelle des physiciens
Nouvelle échelle commune Onat
16O Cnat
12C Hnat
1H
16,000 00 15,995 60
12,010 12,000 52
1,008 0 1,008 0
16,004 4 16,000 0 12,015 0 12,003 82
1,008 28 1,008 131
15,994 4 15,994 91 12,011 15 12,000 00 1,007 97 1,007 796
Tiré de Denis-Papin, M. et J. Castellan, Métrologie générale, tome II, Dunod, Paris (1971).
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Quelques isotopes
Zn
78 80 82 84 86
0 60 50 20
10
3 2
1 Z
Kr
%
64 66 68 70
40 30 20
5
0
%
Z
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Les isotopes stables du mercure
196 0,15 %
195,96581
197 198 9,97 %
197,96675
199 16,87 %
198,96826
200 23,10 %
199,96830
201 13,18 %
200,97028
202 29,86 %
201,97062
203 204 6,87 %
203,97347
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Abondance des isotopes
L’abondance relative est une constante rigoureusement suivie par la nature.
Les analyses de météorites montrent que cette constance est universelle.
Il y a cependant quelques exceptions à cette loi :
Le rapport D/H ( 2H/1H ) de l’eau varie entre les eaux de surface des océans et le fond des fosses océaniques.
Dans les synthèses biologiques, il apparaît de fines différences dans les rapports isotopiques.
Les minerais de plomb provenant de lieux différents présentent
des abondances isotopiques différentes (sources radioactives).
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Rapports isotopiques du plomb dans différents minerais situés en
Méditerranée centrale
Chypre Essimi Lavrion
Thasos Kythnos
2,095 2,115
208Pb/206Pb
2,075 2,055
207Pb/206Pb
0,82 0,85 0,88
Timna (Sinaï)
Othrys Toscane
Ergani
(Anatolie)
Ce type d’analyses est fort important dans les recherches
archéologiques. 2,095
2,115
208Pb/206Pb
2,075 2,055
207Pb/206Pb
0,82 0,85 0,88
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Le cas du rapport isotopique
13C/
12C
La valeur du rapport 13C/12C renseigne sur les différents processus biochimiques et physiologiques que génère la photosynthèse des plantes.
Si le mécanisme de fixation du CO2 est le même pour toutes les plantes (voir chapitre suivant), celui de son extraction de l’atmosphère se déroule selon trois processus :
Le cycle de Calvin (C3), (dans les fruits : raisin, pomme, citron) ;
Le cycle Hatch Slack (C4), (canne à sucre, maïs) ;
Le cycle CAM (cactus, ananas).
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La mesure du rapport
13C/
12C
L’utilisation du % de 13C n’est pas aisée. On lui a préféré une échelle relative à un échantillon de carbone, un
minerai de carbonate de calcium (Belemnite) extrait de Pee Dee en Caroline du sud (d’où le nom de référence RPDB).
13C [‰] = 103 -
Réchantillon - Rstandard Rstandard
RPDB = 0,0112372 ± 0,000009, ce qui est équivalent à une abondance de 1,1112328 ‰ en 13C.
L’échelle ainsi constituée est plus simple de lecture et de manipulation.
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Exemples de déviations naturelles de
13C
Méthane atmosphériqu
e
CO2 P DB atm.
1,0563 1,0673 1,0893 1,1112
Pourcentage de 13C atomique
-50 -40 -30 -20 -10 0
13 C relativement à celui PDB (‰)
Carbone fossile Carbonates terrestres Pétrole de sources marines
Sucre de canne Sucre de betteraves
Cycle de CAM
CO2 Respiration humaine
Europe États-Unis
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La technique peut être étendue aux autres éléments que sont O, N, H.
Pour l’hydrogène et l’oxygène, la référence est celle de l’eau de mer SMOW (Standard Mean Ocean Water).
Dans le cas de l’azote et de ses oxydes, il est passé sur un fil de cuivre chauffé à 600 ºC. Tous ces oxydes sont
transformés en azote.
La mesure d’autres isotopes
18O =
18O/16O échantillon
18O/16O réf - 1 × 1000
2H =
2H/1H échantillon
2H/1H réf - 1 × 1000
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Exemple d’application Cas de la vanilline
La vanilline peut être naturelle.
Elle peut être synthétisée à partir de la lignine, de l’eugénol, du guaïacol (adultération aisée).
Vanilline de vanille (Madagascar) :
13C
PDB= - 21,4
Vanilline de lignine (synthétique) :
13C
PDB= - 27,3
HO CHO CH3O
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Exemple d'application
Cas de la vanilline (suite)
La distribution des atomes de deutérium dans la molécule naturelle est non homogène.
La résonance magnétique du proton permet de
localiser ces atomes de deutérium et de mesurer la déviation isotopique de parties de la molécule.
Les adultérations deviennent plus difficiles …
HO CHO CH3O
130,8 157,3
196,4 126,6
157,3
Abondances isotopiques mesurées par RMN-2H
exprimées en ppm
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Spectres atomiques des isotopes
Séparation H H H H
mesurée (cm-1) calculée
1,79 1,787
1,33 1,323
1,19 1,182
1,12 1,117
La constante de RYDBERG dépend de la masse du noyau.
Les spectres de 1H et 2H sont légèrement différents. Ce sont d’ailleurs les satellites observés au voisinage des raies de la série de BALMER qui ont amené la découverte du deutérium :
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Séparations des isotopes
La spectrographie de masse : La première bombe atomique a cependant été fabriquée à partir
d’uranium 235 séparé par cette méthode.
La distillation fractionnée : UREY obtint pour la première fois du deutérium par distillation de
l’hydrogène liquide.
La diffusion thermique.
L’électrolyse : base de la fabrication industrielle
de l’eau lourde et du deutérium.
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Électrolyse de l’eau
Étapes Volume de solution
électrolysée (l) Densité Concentration en deutérium du résidu 1
2 3 4 5 6 7
2 300 340
52 10 2 0,42 0,08
0,998 0,999 1,001 1,007 1,031 1,098 1,104
0,1 % 0,5 2,5 8,0 30,0 93,0 99,0
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Séparations des isotopes
Diffusion à travers une paroi poreuse :
La vitesse de diffusion d’un gaz à travers une paroi poreuse est donnée par la loi de GRAHAM :
1
2 = M2 M1
À l’échelle moléculaire, on parle d’effusion.
Cette méthode est actuellement la plus utilisée pour la séparation de l’uranium 235 à l’état d’hexafluorure UF
6.
Photochimie infrarouge :
La méthode est basée sur la différence des spectres
infrarouges des espèces isotopiques.
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Séparation de l’uranium 235
UF6 appauvri recyclé
n fois
UF6 enrichi Pression
vide Pression
vide
UF6 appauvri UF6 enrichi
UF6 appauvri recyclé provenant de l’étage suivant . . .
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Préparation photochimique de l’eau lourde
Laser à CO2
Séparateur isotopique Échangeur
isotopique
Eau naturelle
CF3H
CF3H + CF3D
Séparateur
chimique CF3H + HD
DF HDO
Spectre IR du CF3H + CF3D
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Conclusion
La spectrométrie de masse est l’outil
idéal pour observer et mesurer certaines caractéristiques des isotopes.
Chaque élément comporte un nombre
connu d’isotopes en proportions très
variables d’un élément à un autre.
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Conclusion
Certains ont des propriétés particulièrement intéressantes qui justifie des séparations
industrielles quantitativement importantes comme cela est le cas pour l’industrie
nucléaire (deutérium et uranium).
