Isotope

Deux nucléides d'un même élément chimique sont dits isotopes s'ils partagent le même nombre de protons, Z, mais ont des nombres différents de neutrons, N.

Quelques isotopes de l'oxygène, de l'azote et du carbone.

Par extension, un isotope est une classe d'atomes caractérisée par son nombre de protons Z et son nombre de neutrons N, sans distinction concernant le spin ou l'état énergétique.

Contexte —  En physique nucléaire et en chimie, chaque noyau d'atome ou nucléide est défini par son nombre de protons Z (appelé aussi numéro atomique, qui définit d'ailleurs le type d'élément chimique), son nombre de neutrons N, son spin s et son niveau énergétique.

Les isotopes ne doivent pas être confondus avec :

• les isotones, nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différent (Z ≠ Z' mais N = N') ;
• les isobares, nucléides ayant des nombres de protons différents, des nombres de neutrons différents, mais des nombres de masse identiques (Z ≠ Z', N ≠ N', mais Z + N = A = A' = Z' + N') ;
• les isomères, nucléides ayant le même nombre de protons Z et le même nombre de neutrons N (donc aussi le même nombre de masse A), mais pas le même spin ni le même niveau énergétique.

Désignation et notation

Désignation

Un isotope est désigné par le nom de l'élément chimique suivi du nombre de masse de l'isotope : carbone 14, oxygène 18, uranium 235, etc.

Aux débuts de l'histoire de la radioactivité, certains isotopes provenant de la désintégration d'éléments lourds comme l'uranium ou le thorium ont reçu des noms traduisant cette origine, par exemple actinium X pour le radium 223 (produit de la désintégration de l'actinium 227), thorium X pour le radium 224 (produit par le thorium 228) et mésothorium I pour le radium 228 (produit par le thorium 232). Ces noms ne sont plus employés.

Notation

Chaque isotope est représenté par un symbole A
ZM composé de :

• son symbole chimique M (H, He, Li, etc.) ;
• son nombre de masse A (égal au nombre de nucléons de l'atome), placé en haut et à gauche du symbole chimique ;
• son numéro atomique Z (égal au nombre de protons), placé en bas et à gauche du symbole chimique.

Le carbone 12 et le carbone 14, deux isotopes de l'élément carbone, sont ainsi notés 12
6C et 14
6C. Le numéro atomique est souvent omis, car redondant avec le symbole chimique : ¹²C et ¹⁴C, par exemple.

Cas particulier de l'hydrogène

Les isotopes naturels de l'hydrogène sont l'hydrogène 1 (¹H), l'hydrogène 2 (²H) et l'hydrogène 3 (³H), mais on les désigne plus fréquemment par les noms de protium, deutérium et tritium. L'IUPAC admet aussi — sans toutefois le recommander — l'usage des symboles D et T pour le deutérium et le tritium, le symbole H représentant alors le protium et non plus l'élément hydrogène.

Cet usage particulier est dû à l'effet isotopique particulièrement marqué pour l'hydrogène, qui se traduit par une modification substantielle des propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène et de ses composés quand on y remplace le protium par le deutérium ou le tritium.

Propriétés

Les propriétés des atomes étant essentiellement régies par leurs cortèges électroniques, les isotopes d'un même élément chimique ont essentiellement les mêmes propriétés physiques et chimiques, qualitativement et quantitativement. La différence de masse entre isotopes, parce qu'elle affecte l'énergie cinétique des atomes et des molécules, entraîne cependant de légères différences de propriétés, appelées effets isotopiques. Ces effets sont d'autant plus importants que la différence relative de masse est grande ; ils sont donc maximaux pour l'hydrogène (la masse de ²H est le double de celle de ¹H) et minimaux pour les éléments les plus lourds (la masse de ²³⁵U, par exemple, n'est supérieure à celle de ²³⁴U que de 0,4 %).

• Un premier effet concerne les propriétés à l'équilibre. Quand dans un corps simple on remplace un atome par un isotope plus lourd, on augmente notamment, mais légèrement, les températures de fusion et d'ébullition, ainsi que les chaleurs latentes correspondantes (de fusion et de vaporisation). Leurs valeurs sont ainsi de 3,81 °C, 101,42 °C, 6,132 kJ/mol et 41,521 kJ/mol pour l'eau lourde ²H₂¹⁶O, contre 0 °C, 100 °C, 6,007 kJ/mol et 40,657 kJ/mol pour l'eau légère ¹H₂¹⁶O.
• Un second effet concerne la vitesse des processus de retour à l'équilibre (écoulement, diffusion, réactions chimiques, etc.). Quand dans un corps simple on remplace un atome par un isotope plus lourd, toutes ces vitesses sont diminuées. La viscosité de l'eau à 20 °C est ainsi de 1,246 7 × 10⁻³ Pa s pour l'eau lourde, contre 1,001 6 × 10⁻³ Pa s pour l'eau légère.

Ces effets sont mis à profit pour séparer les isotopes (pour la recherche, la médecine et l'industrie nucléaire, notamment). Les températures d'ébullition légèrement différentes ont par exemple permis les premiers enrichissements isotopiques par distillation à l'aide d'une colonne de distillation à bande tournante. L'enrichissement en ²³⁵U de l'uranium naturel se fait aujourd'hui par diffusion thermique, diffusion à l'état gazeux, centrifugation ou séparation électromagnétique.

Stabilité

Il existe 80 éléments chimiques ayant au moins un isotope stable, de l'hydrogène ₁H au plomb ₈₂Pb (81 éléments si l'on inclut le bismuth ₈₃Bi). Le technétium ₄₃Tc, le prométhium ₆₁Pm et tous les éléments de numéro atomique supérieur à 83 n'ont, quant à eux, aucun isotope stable.

Diagramme Z-N et vallée de stabilité des isotopes. Voir les détails sur le site suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/diagrammeNZ_1.swf

Le noyau d'un atome est constitué d'une part de protons qui se repoussent sous l'action de l'interaction électromagnétique (les charges électriques de même nature se repoussent) mais qui s'attirent sous l'action de l'interaction forte. Dans un noyau, la stabilité est donc assurée par l'interaction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres, diminuent l'intensité de la répulsion électromagnétique entre les protons, d'où les propriétés suivantes :

Pour ces centaines d'isotopes naturels, les nombres respectifs de protons et de neutrons semblent respecter certaines règles :

• le nombre de neutrons est à peu près égal à celui des protons pour les éléments légers ; à partir du ₂₁Sc, le nombre de neutrons devient supérieur au nombre de protons, l'excédent dépassant 50 % pour les éléments les plus lourds ;
• certains noyaux particulièrement stables contiennent des protons ou des neutrons (ou les deux) en nombre égal à un des « nombres magiques » suivants : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.Selon les théories actuelles, ces valeurs correspondraient à des noyaux possédant des couches complètes de neutrons ou de protons ;
• les éléments de nombre Z impair possèdent moins d'isotopes stables que les éléments de nombre Z pair.

Il existe des milliers de noyaux instables, de durée de vie très courte (jusqu'à 10⁻²³ seconde), qui ne peuvent être produits qu'en laboratoire. On les qualifie de noyaux exotiques, notamment en raison de leurs propriétés spécifiques (grandes déformations, halos de neutron, etc.).

Table des isotopes

Table des isotopes

Les demi-vies sont indiquées par la couleur de la cellule de chaque isotope ; les isotopes ayant deux modes de désintégration qui diffèrent par leur demi-vie ont des couleurs de fond et de bordure différentes.

Demi-vies

Él	Instable	Simplement listés mais non détaillés
Él	1-10 jours
Él	10-100 jours
Él	100 jours - 10 années
Él	10-10 000 années
Él	>10 000 années
Él	Radioélément naturel. Période < 1012 a
Él	Stable. Période > 1012 a	Couleur de fond grise et bordure ocre si le radionucléide est présent dans la nature

Liste complète des isotopes connus

p	1
	H	2	3	4	5
n	H	He	Li	Be	B	6
1	D	3He	4Li	5Be	6B	C	7
2	T	4He	5Li	6Be	7B	8C	N	8
3	4H	5He	6Li	7Be	8B	9C	10N	O	9
4	5H	6He	7Li	8Be	9B	10C	11N	12O	F	10
5	6H	7He	8Li	9Be	10B	11C	12N	13O	14F	Ne	11	12
6	7H	8He	9Li	10Be	11B	12C	13N	14O	15F	16Ne	Na	Mg	13	14
	7	9He	10Li	11Be	12B	13C	14N	15O	16F	17Ne	18Na	19Mg	Al	Si	15
	8	10He	11Li	12Be	13B	14C	15N	16O	17F	18Ne	19Na	20Mg	21Al	22Si	P	16
		9	12Li	13Be	14B	15C	16N	17O	18F	19Ne	20Na	21Mg	22Al	23Si	24P	S	17
			10	14Be	15B	16C	17N	18O	19F	20Ne	21Na	22Mg	23Al	24Si	25P	26S	Cl	18
			11	15Be	16B	17C	18N	19O	20F	21Ne	22Na	23Mg	24Al	25Si	26P	27S	28Cl	Ar	19
			12	16Be	17B	18C	19N	20O	21F	22Ne	23Na	24Mg	25Al	26Si	27P	28S	29Cl	30Ar	K	20
				13	18B	19C	20N	21O	22F	23Ne	24Na	25Mg	26Al	27Si	28P	29S	30Cl	31Ar	32K	Ca	21
				14	19B	20C	21N	22O	23F	24Ne	25Na	26Mg	27Al	28Si	29P	30S	31Cl	32Ar	33K	34Ca	Sc	22
					15	21C	22N	23O	24F	25Ne	26Na	27Mg	28Al	29Si	30P	31S	32Cl	33Ar	34K	35Ca	36Sc	Ti	23
					16	22C	23N	24O	25F	26Ne	27Na	28Mg	29Al	30Si	31P	32S	33Cl	34Ar	35K	36Ca	37Sc	38Ti	V	24
						17	24N	25O	26F	27Ne	28Na	29Mg	30Al	31Si	32P	33S	34Cl	35Ar	36K	37Ca	38Sc	39Ti	40V	Cr	25	26
						18	25N	26O	27F	28Ne	29Na	30Mg	31Al	32Si	33P	34S	35Cl	36Ar	37K	38Ca	39Sc	40Ti	41V	42Cr	Mn	Fe	27	28
							19	27O	28F	29Ne	30Na	31Mg	32Al	33Si	34P	35S	36Cl	37Ar	38K	39Ca	40Sc	41Ti	42V	43Cr	44Mn	45Fe	Co	Ni
							20	28O	29F	30Ne	31Na	32Mg	33Al	34Si	35P	36S	37Cl	38Ar	39K	40Ca	41Sc	42Ti	43V	44Cr	45Mn	46Fe	47Co	48Ni
								21	30F	31Ne	32Na	33Mg	34Al	35Si	36P	37S	38Cl	39Ar	40K	41Ca	42Sc	43Ti	44V	45Cr	46Mn	47Fe	48Co	49Ni	29
								22	31F	32Ne	33Na	34Mg	35Al	36Si	37P	38S	39Cl	40Ar	41K	42Ca	43Sc	44Ti	45V	46Cr	47Mn	48Fe	49Co	50Ni	Cu	30
									23	33Ne	34Na	35Mg	36Al	37Si	38P	39S	40Cl	41Ar	42K	43Ca	44Sc	45Ti	46V	47Cr	48Mn	49Fe	50Co	51Ni	52Cu	Zn	31
									24	34Ne	35Na	36Mg	37Al	38Si	39P	40S	41Cl	42Ar	43K	44Ca	45Sc	46Ti	47V	48Cr	49Mn	50Fe	51Co	52Ni	53Cu	54Zn	Ga	32
										25	36Na	37Mg	38Al	39Si	40P	41S	42Cl	43Ar	44K	45Ca	46Sc	47Ti	48V	49Cr	50Mn	51Fe	52Co	53Ni	54Cu	55Zn	56Ga	Ge	33
										26	37Na	38Mg	39Al	40Si	41P	42S	43Cl	44Ar	45K	46Ca	47Sc	48Ti	49V	50Cr	51Mn	52Fe	53Co	54Ni	55Cu	56Zn	57Ga	58Ge	As
											27	39Mg	40Al	41Si	42P	43S	44Cl	45Ar	46K	47Ca	48Sc	49Ti	50V	51Cr	52Mn	53Fe	54Co	55Ni	56Cu	57Zn	58Ga	59Ge	60As
											28	40Mg	41Al	42Si	43P	44S	45Cl	46Ar	47K	48Ca	49Sc	50Ti	51V	52Cr	53Mn	54Fe	55Co	56Ni	57Cu	58Zn	59Ga	60Ge	61As
												29	42Al	43Si	44P	45S	46Cl	47Ar	48K	49Ca	50Sc	51Ti	52V	53Cr	54Mn	55Fe	56Co	57Ni	58Cu	59Zn	60Ga	61Ge	62As	34
													30	44Si	45P	46S	47Cl	48Ar	49K	50Ca	51Sc	52Ti	53V	54Cr	55Mn	56Fe	57Co	58Ni	59Cu	60Zn	61Ga	62Ge	63As	Se	35
														31	46P	47S	48Cl	49Ar	50K	51Ca	52Sc	53Ti	54V	55Cr	56Mn	57Fe	58Co	59Ni	60Cu	61Zn	62Ga	63Ge	64As	65Se	Br	36
															32	48S	49Cl	50Ar	51K	52Ca	53Sc	54Ti	55V	56Cr	57Mn	58Fe	59Co	60Ni	61Cu	62Zn	63Ga	64Ge	65As	66Se	67Br	Kr	37
															33	49S	50Cl	51Ar	52K	53Ca	54Sc	55Ti	56V	57Cr	58Mn	59Fe	60Co	61Ni	62Cu	63Zn	64Ga	65Ge	66As	67Se	68Br	69Kr	Rb	38
																34	51Cl	52Ar	53K	54Ca	55Sc	56Ti	57V	58Cr	59Mn	60Fe	61Co	62Ni	63Cu	64Zn	65Ga	66Ge	67As	68Se	69Br	70Kr	71Rb	Sr	39
																	35	53Ar	54K	55Ca	56Sc	57Ti	58V	59Cr	60Mn	61Fe	62Co	63Ni	64Cu	65Zn	66Ga	67Ge	68As	69Se	70Br	71Kr	72Rb		Y	40
																		36	55K	56Ca	57Sc	58Ti	59V	60Cr	61Mn	62Fe	63Co	64Ni	65Cu	66Zn	67Ga	68Ge	69As	70Se	71Br	72Kr	73Rb			Zr
																			37	57Ca	58Sc	59Ti	60V	61Cr	62Mn	63Fe	64Co	65Ni	66Cu	67Zn	68Ga	69Ge	70As	71Se	72Br	73Kr	74Rb
																				38	59Sc	60Ti	61V	62Cr	63Mn	64Fe	65Co	66Ni	67Cu	68Zn	69Ga	70Ge	71As	72Se	73Br	74Kr	75Rb
																				39	60Sc	61Ti	62V	63Cr	64Mn	65Fe	66Co	67Ni	68Cu	69Zn	70Ga	71Ge	72As	73Se	74Br	75Kr	76Rb	77Sr
																					40	62Ti	63V	64Cr	65Mn	66Fe	67Co	68Ni	69Cu	70Zn	71Ga	72Ge	73As	74Se	75Br	76Kr	77Rb	78Sr
																					41	63Ti	64V	65Cr	66Mn	67Fe	68Co	69Ni	70Cu	71Zn	72Ga	73Ge	74As	75Se	76Br	77Kr	78Rb	79Sr		81Zr	41
																						42	65V	66Cr	67Mn	68Fe	69Co	70Ni	71Cu	72Zn	73Ga	74Ge	75As	76Se	77Br	78Kr	79Rb	80Sr	81Y	82Zr	Nb	42
																							43	67Cr	68Mn	69Fe	70Co	71Ni	72Cu	73Zn	74Ga	75Ge	76As	77Se	78Br	79Kr	80Rb	81Sr	82Y	83Zr	84Nb	Mo
																								44	69Mn	70Fe	71Co	72Ni	73Cu	74Zn	75Ga	76Ge	77As	78Se	79Br	80Kr	81Rb	82Sr	83Y	84Zr			43
																									45	71Fe	72Co	73Ni	74Cu	75Zn	76Ga	77Ge	78As	79Se	80Br	81Kr	82Rb	83Sr	84Y	85Zr	86Nb	87Mo	Tc
																									46	72Fe	73Co	74Ni	75Cu	76Zn	77Ga	78Ge	79As	80Se	81Br	82Kr	83Rb	84Sr	85Y	86Zr	87Nb	88Mo		44
																										47	74Co	75Ni	76Cu	77Zn	78Ga	79Ge	80As	81Se	82Br	83Kr	84Rb	85Sr	86Y	87Zr	88Nb	89Mo	90Tc	Ru	45
																										48	75Co	76Ni	77Cu	78Zn	79Ga	80Ge	81As	82Se	83Br	84Kr	85Rb	86Sr	87Y	88Zr	89Nb	90Mo	91Tc	92Ru	Rh	46
																											49	77Ni	78Cu	79Zn	80Ga	81Ge	82As	83Se	84Br	85Kr	86Rb	87Sr	88Y	89Zr	90Nb	91Mo	92Tc	93Ru		Pd	47	48
																											50	78Ni	79Cu	80Zn	81Ga	82Ge	83As	84Se	85Br	86Kr	87Rb	88Sr	89Y	90Zr	91Nb	92Mo	93Tc	94Ru	95Rh		Ag	Cd
																												51	80Cu	81Zn	82Ga	83Ge	84As	85Se	86Br	87Kr	88Rb	89Sr	90Y	91Zr	92Nb	93Mo	94Tc	95Ru	96Rh	97Pd
																													52	82Zn	83Ga	84Ge	85As	86Se	87Br	88Kr	89Rb	90Sr	91Y	92Zr	93Nb	94Mo	95Tc	96Ru	97Rh	98Pd	99Ag	100Cd	49
																													53	83Zn	84Ga	85Ge	86As	87Se	88Br	89Kr	90Rb	91Sr	92Y	93Zr	94Nb	95Mo	96Tc	97Ru	98Rh	99Pd	100Ag	101Cd	In	50	51	52
																														54	85Ga	86Ge	87As	88Se	89Br	90Kr	91Rb	92Sr	93Y	94Zr	95Nb	96Mo	97Tc	98Ru	99Rh	100Pd	101Ag	102Cd		Sn	Sb	Te
																														55	86Ga	87Ge	88As	89Se	90Br	91Kr	92Rb	93Sr	94Y	95Zr	96Nb	97Mo	98Tc	99Ru	100Rh	101Pd	102Ag	103Cd	104In			107Te
																															56	88Ge	89As	90Se	91Br	92Kr	93Rb	94Sr	95Y	96Zr	97Nb	98Mo	99Tc	100Ru	101Rh	102Pd	103Ag	104Cd	105In			108Te
																															57	89Ge	90As	91Se	92Br	93Kr	94Rb	95Sr	96Y	97Zr	98Nb	99Mo	100Tc	101Ru	102Rh	103Pd	104Ag	105Cd	106In	107Sn		109Te	53	54
																																58	91As	92Se	93Br	94Kr	95Rb	96Sr	97Y	98Zr	99Nb	100Mo	101Tc	102Ru	103Rh	104Pd	105Ag	106Cd	107In	108Sn			I	Xe	55
																																59	92As	93Se	94Br	95Kr	96Rb	97Sr	98Y	99Zr	100Nb	101Mo	102Tc	103Ru	104Rh	105Pd	106Ag	107Cd	108In	109Sn	110Sb	111Te		113Xe	Cs
																																	60	94Se	95Br	96Kr	97Rb	98Sr	99Y	100Zr	101Nb	102Mo	103Tc	104Ru	105Rh	106Pd	107Ag	108Cd	109In	110Sn	111Sb	112Te	113I	114Xe		56
																																		61	96Br	97Kr	98Rb	99Sr	100Y	101Zr	102Nb	103Mo	104Tc	105Ru	106Rh	107Pd	108Ag	109Cd	110In	111Sn	112Sb	113Te	114I	115Xe	116Cs	Ba
																																		62	97Br	98Kr	99Rb			102Zr	103Nb	104Mo	105Tc	106Ru	107Rh	108Pd	109Ag	110Cd	111In	112Sn	113Sb	114Te	115I	116Xe	117Cs
																																			63	99Kr			102Y		104Nb	105Mo	106Tc	107Ru	108Rh	109Pd	110Ag	111Cd	112In	113Sn	114Sb	115Te	116I	117Xe	118Cs	119Ba	57
																																			64	100Kr					105Nb	106Mo	107Tc	108Ru	109Rh	110Pd	111Ag	112Cd	113In	114Sn	115Sb	116Te	117I	118Xe	119Cs		La
																																							65		106Nb	107Mo	108Tc	109Ru	110Rh	111Pd	112Ag	113Cd	114In	115Sn	116Sb	117Te	118I	119Xe	120Cs	121Ba
																																								66		108Mo	109Tc	110Ru	111Rh	112Pd	113Ag	114Cd	115In	116Sn	117Sb	118Te	119I	120Xe	121Cs	122Ba
																																									67		110Tc	111Ru	112Rh	113Pd	114Ag	115Cd	116In	117Sn	118Sb	119Te	120I	121Xe	122Cs	123Ba		58
																																										68		112Ru	113Rh	114Pd	115Ag	116Cd	117In	118Sn	119Sb	120Te	121I	122Xe	123Cs	124Ba	125La	Ce
																																										69		113Ru	114Rh	115Pd	116Ag	117Cd	118In	119Sn	120Sb	121Te	122I	123Xe	124Cs	125Ba	126La
																																												70		116Pd	117Ag	118Cd	119In	120Sn	121Sb	122Te	123I	124Xe	125Cs	126Ba	127La		59
																																												71		117Pd	118Ag	119Cd	120In	121Sn	122Sb	123Te	124I	125Xe	126Cs	127Ba	128La	129Ce	Pr	60
																																												72		118Pd	119Ag	120Cd	121In	122Sn	123Sb	124Te	125I	126Xe	127Cs	128Ba	129La	130Ce		Nd
																																													73		120Ag	121Cd	122In	123Sn	124Sb	125Te	126I	127Xe	128Cs	129Ba	130La	131Ce	132Pr		61	62	63
																																													74		121Ag	122Cd	123In	124Sn	125Sb	126Te	127I	128Xe	129Cs	130Ba	131La	132Ce	133Pr	134Nd	Pm	Sm	Eu
																																													75		122Ag		124In	125Sn	126Sb	127Te	128I	129Xe	130Cs	131Ba	132La	133Ce	134Pr	135Nd		137Sm		64
																																													76		123Ag	124Cd	125In	126Sn	127Sb	128Te	129I	130Xe	131Cs	132Ba	133La	134Ce	135Pr	136Nd	137Pm	138Sm	139Eu	Gd
																																														77			126In	127Sn	128Sb	129Te	130I	131Xe	132Cs	133Ba	134La	135Ce	136Pr	137Nd	138Pm	139Sm	140Eu		65
																																															78		127In	128Sn	129Sb	130Te	131I	132Xe	133Cs	134Ba	135La	136Ce	137Pr	138Nd	139Pm	140Sm	141Eu	142Gd	Tb	66
																																															79		128In	129Sn	130Sb	131Te	132I	133Xe	134Cs	135Ba	136La	137Ce	138Pr	139Nd	140Pm	141Sm	142Eu	143Gd		Dy	67	68	69
																																															80		129In	130Sn	131Sb	132Te	133I	134Xe	135Cs	136Ba	137La	138Ce	139Pr	140Nd	141Pm	142Sm	143Eu	144Gd			Ho	Er	Tm	70
																																															81		130In	131Sn	132Sb	133Te	134I	135Xe	136Cs	137Ba	138La	139Ce	140Pr	141Nd	142Pm	143Sm	144Eu	145Gd	146Tb	147Dy				Yb	71
																																															82		131In	132Sn	133Sb	134Te	135I	136Xe	137Cs	138Ba	139La	140Ce	141Pr	142Nd	143Pm	144Sm	145Eu	146Gd	147Tb	148Dy		150Er	151Tm		Lu	72
																																															83		132In	133Sn	134Sb	135Te	136I	137Xe	138Cs	139Ba	140La	141Ce	142Pr	143Nd	144Pm	145Sm	146Eu	147Gd	148Tb	149Dy	150Ho	151Er				Hf
																																																84		134Sn	135Sb	136Te	137I	138Xe	139Cs	140Ba	141La	142Ce	143Pr	144Nd	145Pm	146Sm	147Eu	148Gd	149Tb	150Dy	151Ho	152Er	153Tm	154Yb	155Lu
																																																	85		136Sb	137Te	138I	139Xe	140Cs	141Ba	142La	143Ce	144Pr	145Nd	146Pm	147Sm	148Eu	149Gd	150Tb	151Dy	152Ho	153Er	154Tm	155Yb	156Lu	157Hf	73	74
																																																		86		138Te	139I	140Xe	141Cs	142Ba	143La	144Ce	145Pr	146Nd	147Pm	148Sm	149Eu	150Gd	151Tb	152Dy	153Ho	154Er	155Tm	156Yb		158Hf	Ta	W
																																																			87		140I	141Xe	142Cs	143Ba	144La	145Ce	146Pr	147Nd	148Pm	149Sm	150Eu	151Gd	152Tb	153Dy	154Ho	155Er	156Tm	157Yb		159Hf
																																																			88		141I	142Xe	143Cs	144Ba	145La	146Ce	147Pr	148Nd	149Pm	150Sm	151Eu	152Gd	153Tb	154Dy	155Ho	156Er	157Tm	158Yb		160Hf		162W
																																																			89		142I	143Xe	144Cs	145Ba	146La	147Ce	148Pr	149Nd	150Pm	151Sm	152Eu	153Gd	154Tb	155Dy	156Ho	157Er	158Tm			161Hf		163W
																																																				90		144Xe	145Cs	146Ba	147La	148Ce	149Pr	150Nd	151Pm	152Sm	153Eu	154Gd	155Tb	156Dy	157Ho	158Er	159Tm	160Yb	161Lu			164W	75	76
																																																				91		145Xe	146Cs		148La	149Ce	150Pr	151Nd	152Pm	153Sm	154Eu	155Gd	156Tb	157Dy	158Ho	159Er	160Tm	161Yb	162Lu			165W	Re	Os	77
																																																								92		150Ce	151Pr	152Nd	153Pm	154Sm	155Eu	156Gd	157Tb	158Dy	159Ho	160Er	161Tm	162Yb				166W			Ir	78
																																																								93		151Ce			154Pm	155Sm	156Eu	157Gd	158Tb	159Dy	160Ho	161Er	162Tm	163Yb	164Lu		166Ta			169Os		Pt	79
																																																								94				154Nd		156Sm	157Eu	158Gd	159Tb	160Dy	161Ho	162Er	163Tm	164Yb	165Lu	166Hf	167Ta			170Os	171Ir		Au	80
																																																											95			157Sm	158Eu	159Gd	160Tb	161Dy	162Ho	163Er	164Tm	165Yb	166Lu	167Hf	168Ta		170Re	171Os	172Ir	173Pt		Hg
																																																													96		159Eu	160Gd	161Tb	162Dy	163Ho	164Er	165Tm	166Yb	167Lu	168Hf	169Ta	170W		172Os	171Ir	174Pt	175Au
																																																													97		160Eu	161Gd	162Tb	163Dy	164Ho	165Er	166Tm	167Yb	168Lu	169Hf	170Ta	171W	172Re	173Os	174Ir	175Pt	176Au	177Hg
																																																														98		162Gd	163Tb	164Dy	165Ho	166Er	167Tm	168Yb	169Lu	170Hf	171Ta	172W		174Os	175Ir	176Pt	177Au	178Hg
																																																															99		164Tb	165Dy	166Ho	167Er	168Tm	169Yb	170Lu	171Hf	172Ta	173W	174Re	175Os	176Ir	177Pt	178Au	179Hg	81
																																																																100		166Dy	167Ho	168Er	169Tm	170Yb	171Lu	172Hf	173Ta	174W	175Re	176Os	177Ir	178Pt	179Au	180Hg	Tl	82
																																																																101		167Dy	168Ho	169Er	170Tm	171Yb	172Lu	173Hf	174Ta	175W	176Re	177Os	178Ir	179Pt		181Hg		Pb
																																																																102		169Ho	170Er	171Tm	172Yb	173Lu	174Hf	175Ta	176W	177Re	178Os	179Ir	180Pt	181Au	182Hg
																																																																103		170Ho	171Er	172Tm	173Yb	174Lu	175Hf	176Ta	177W	178Re	179Os	180Ir	181Pt	182Au	183Hg	184Tl	185Pb	83
																																																																104		172Er	173Tm	174Yb	175Lu	176Hf	177Ta	178W	179Re	180Os	181Ir	182Pt	183Au	184Hg	185Tl	186Pb	Bi
																																																																105		173Er	174Tm	175Yb	176Lu	177Hf	178Ta	179W	180Re	181Os	182Ir	183Pt	184Au	185Hg	186Tl	187Pb		84
																																																																106		175Tm	176Yb	177Lu	178Hf	179Ta	180W	181Re	182Os	183Ir	184Pt	185Au	186Hg	187Tl	188Pb	189Bi	Po	85
																																																																107		176Tm	177Yb	178Lu	179Hf	180mTa	181W	182Re	183Os	184Ir	185Pt	186Au	187Hg	188Tl	189Pb	190Bi		At
																																																																108		178Yb	179Lu	180Hf	181Ta	182W	183Re	184Os	185Ir	186Pt	187Au	188Hg	189Tl	190Pb	191Bi
																																																																109		180Lu	181Hf	182Ta	183W	184Re	185Os	186Ir	187Pt	188Au	189Hg	190Tl	191Pb	192Bi	193Po	194At
																																																																110		182Hf	183Ta	184W	185Re	186Os	187Ir	188Pt	189Au	190Hg	191Tl	192Pb	193Bi	194Po	195At	86
																																																																111		183Hf	184Ta	185W	186Re	187Os	188Ir	189Pt	190Au	191Hg	192Tl	193Pb	194Bi	195Po	196At	Rn
																																																																112		184Hf	185Ta	186W	187Re	188Os	189Ir	190Pt	191Au	192Hg	193Tl	194Pb	195Bi	196Po	197At		87
																																																																113		185Hf	186Ta	187W	188Re	189Os	190Ir	191Pt	192Au	193Hg	194Tl	195Pb	196Bi	197Po	198At		Fr
																																																																114			188W	189Re	190Os	191Ir	192Pt	193Au	194Hg	195Tl	196Pb	197Bi	198Po	199At	200Rn		88
																																																																115		189W	190Re	191Os	192Ir	193Pt	194Au	195Hg	196Tl	197Pb	198Bi	199Po	200At	201Rn		Ra
																																																																116		190W	191Re	192Os	193Ir	194Pt	195Au	196Hg	197Tl	198Pb	199Bi	200Po	201At	202Rn	203Fr		89
																																																																117		192Re	193Os	194Ir	195Pt	196Au	197Hg	198Tl	199Pb	200Bi	201Po	202At	203Rn	204Fr		Ac
																																																																118		194Os	195Ir	196Pt	197Au	198Hg	199Tl	200Pb	201Bi	202Po	203At	204Rn	205Fr	206Ra
																																																																119		195Os	196Ir	197Pt	198Au	199Hg	200Tl	201Pb	202Bi	203Po	204At	205Rn	206Fr	207Ra		90
																																																																120		196Os	197Ir	198Pt	199Au	200Hg	201Tl	202Pb	203Bi	204Po	205At	206Rn	207Fr	208Ra	209Ac	Th
																																																																121		198Ir	199Pt	200Au	201Hg	202Tl	203Pb	204Bi	205Po	206At	207Rn	208Fr	209Ra	210Ac		91
																																																																122		200Pt	201Au	202Hg	203Tl	204Pb	205Bi	206Po	207At	208Rn	209Fr	210Ra	211Ac		Pa
																																																																123		201Pt	202Au	203Hg	204Tl	205Pb	206Bi	207Po	208At	209Rn	210Fr	211Ra	212Ac	213Th
																																																																124		203Au	204Hg	205Tl	206Pb	207Bi	208Po	209At	210Rn	211Fr	212Ra	213Ac	214Th
																																																																125		204Au	205Hg	206Tl	207Pb	208Bi	209Po	210At	211Rn	212Fr	213Ra	214Ac	215Th	216Pa
																																																																126		206Hg	207Tl	208Pb	209Bi	210Po	211At	212Rn	213Fr	214Ra	215Ac	216Th
																																																																127		208Tl	209Pb	210Bi	211Po	212At	213Rn	214Fr	215Ra	216Ac	217Th
																																																																128		209Tl	210Pb	211Bi	212Po	213At	214Rn	215Fr	216Ra	217Ac	218Th
																																																																129		210Tl	211Pb	212Bi	213Po	214At	215Rn	216Fr	217Ra	218Ac	219Th
																																																																130		212Pb	213Bi	214Po	215At	216Rn	217Fr	218Ra	219Ac	220Th
																																																																131		213Pb	214Bi	215Po	216At	217Rn	218Fr	219Ra	220Ac	221Th	222Pa	92
																																																																132		214Pb	215Bi	216Po	217At	218Rn	219Fr	220Ra	221Ac	222Th	223Pa	U	93
																																																																133			217Po	218At	219Rn	220Fr	221Ra	222Ac	223Th	224Pa		Np	94
																																																																134		218Po	219At	220Rn	221Fr	222Ra	223Ac	224Th	225Pa	226U		Pu	95
																																																																135			221Rn	222Fr	223Ra	224Ac	225Th	226Pa	227U	228Np		Am
																																																																136		222Rn	223Fr	224Ra	225Ac	226Th	227Pa	228U	229Np			96
																																																																137		223Rn	224Fr	225Ra	226Ac	227Th	228Pa	229U	230Np		232Am	Cm
																																																																138		224Rn	225Fr	226Ra	227Ac	228Th	229Pa	230U	231Np	232Pu
																																																																139		225Rn	226Fr	227Ra	228Ac	229Th	230Pa	231U	232Np	233Pu	234Am		97	98	99	100
																																																																140		226Rn	227Fr	228Ra	229Ac	230Th	231Pa	232U	233Np	234Pu	235Am	236Cm	Bk	Cf	Es	Fm
																																																																141		228Fr	229Ra	230Ac	231Th	232Pa	233U	234Np	235Pu	236Am	237Cm
																																																																142		229Fr	230Ra	231Ac	232Th	233Pa	234U	235Np	236Pu	237Am	238Cm	239Bk	240Cf	241Es	242Fm
																																																																143			232Ac	233Th	234Pa	235U	236Np	237Pu	238Am	239Cm	240Bk	241Cf	242Es	243Fm
																																																																144			234Th	235Pa	236U	237Np	238Pu	239Am	240Cm	241Bk	242Cf	243Es	244Fm	101
																																																																145		235Th	236Pa	237U	238Np	239Pu	240Am	241Cm	242Bk	243Cf	244Es	245Fm	Md	102
																																																																146		236Th	237Pa	238U	239Np	240Pu	241Am	242Cm	243Bk	244Cf	245Es	246Fm		No	103	104
																																																																147		238Pa	239U	240Np	241Pu	242Am	243Cm	244Bk	245Cf	246Es	247Fm	248Md		Lr	Rf	105
																																																																148		240U	241Np	242Pu	243Am	244Cm	245Bk	246Cf	247Es	248Fm	249Md	250No			Db
																																																																149			243Pu	244Am	245Cm	246Bk	247Cf	248Es	249Fm	250Md	251No	252Lr	253Rf		106
																																																																150		244Pu	245Am	246Cm	247Bk	248Cf	249Es	250Fm	251Md	252No	253Lr	254Rf	255Db	Sg	107
																																																																151		245Pu	246Am	247Cm	248Bk	249Cf	250Es	251Fm	252Md	253No	254Lr	255Rf	256Db		Bh
																																																																152		246Pu	247Am	248Cm	249Bk	250Cf	251Es	252Fm	253Md	254No	255Lr	256Rf	257Db	258Sg		108
																																																																153			249Cm	250Bk	251Cf	252Es	253Fm	254Md	255No	256Lr	257Rf	258Db	259Sg	260Bh	Hs	109
																																																																154		250Cm	251Bk	252Cf	253Es	254Fm	255Md	256No	257Lr	258Rf	259Db	260Sg	261Bh		Mt	110
																																																																155		251Cm	252Bk	253Cf	254Es	255Fm	256Md	257No	258Lr	259Rf	260Db	261Sg	262Bh	263Hs		Ds	111
																																																																156		253Bk	254Cf	255Es	256Fm	257Md	258No	259Lr	260Rf	261Db	262Sg	263Bh	264Hs	265Mt		Rg
																																																																157		254Bk	255Cf	256Es	257Fm	258Md	259No	260Lr	261Rf	262Db	263Sg	264Bh	265Hs	266Mt	267Ds
																																																																158		256Cf	257Es	258Fm	259Md	260No	261Lr	262Rf	263Db	264Sg	265Bh	266Hs	267Mt	268Ds
																																																																159			259Fm	260Md	261No	262Lr	263Rf	264Db	265Sg	266Bh	267Hs	268Mt	269Ds
																																																																160			262No	263Lr	264Rf	265Db	266Sg	267Bh	268Hs	269Mt	270Ds
																																																																161					269Hs	270Mt	271Ds	272Rg
																																																																162		271Mt	272Ds

 

Analyses isotopiques

Les analyses isotopiques consistent à mesurer la composition isotopique d'un certain élément chimique dans un matériau (minéral, roche, tissu biologique, etc.), ou bien seulement un ou quelques rapports isotopiques de cet élément. Elles servent à dater le matériau (sa formation ou certains événements qu'il a subis) ou à en établir l'origine.

Méthodes

La mesure d'une composition ou d'un rapport isotopique peut se faire in situ (directement sur le matériau) ou ex situ (sur un échantillon prélevé et préparé pour l'analyse). Les mesures in situ ont l'avantage de permettre une cartographie des rapports isotopiques, mais les mesures ex situ sont généralement plus précises.

Une large majorité des analyses isotopiques sont faites ex situ dans un spectromètre de masse : une partie des atomes d'un échantillon sont ionisés, les ions sont accélérés par un champ électrique indépendamment de leur masse puis les ions de masses différentes sont séparés par un champ magnétique et recueillis séparément, on mesure alors les nombres d'ions recueillis ayant les masses auxquelles on s'intéresse et on en calcule les rapports ou les proportions.

• Dans les spectromètres de masse à source solide, l'échantillon est généralement un dépôt solide obtenu par dissolution acide d'un morceau du matériau étudié, séparation chimique dé l'élément chimique étudié, dépôt liquide sur un filament et séchage.
• Dans les spectromètres de masse à source gazeuse, l'échantillon est le gaz (argon, xénon, dioxygène, etc.) se dégageant d'un morceau du matériau étudié, par chauffage progressif.

Outre la source des ions, les spectromètre diffèrent par leur tension accélératrice, la puissance de leur électroaimant et le processus de mesure des nombres d'ions. Les spectromètres de masse de dernière génération sont des appareils de très haute technologie, permettant la mesure des rapports isotopiques avec une précision de l'ordre du millionième.

Les analyses isotopiques in situ sont réalisées à l'aide d'une sonde ionique. Un fragment de l'objet étudié est bombardé par un faisceau d'ions (d'un même élément chimique qu'on n'analysera pas) et émet un faisceau d'ions « secondaires » représentatif de la composition chimique et isotopique de la surface de l'objet. Ces ions sont ensuite analysés « en vol » par spectrométrie de masse.

Une méthode complètement différente des précédentes est la mesure de vibrations atomiques dans un microscope électronique, décrite en 2022. Il devient possible d'identifier les isotopes chimiques à une échelle sub-nanométrique. Ceci devrait permettre, à cette résolution, de construire et suivre des domaines isotopiques.

Applications

Les applications des analyses isotopiques mettent à profit la variabilité de la composition isotopique de nombreux éléments chimiques, due aux différences de caractéristiques nucléaires et de propriétés physicochimiques des isotopes d'un même élément :

• les caractéristiques nucléaires des différents isotopes peuvent être très différentes :
  • dans la nucléosynthèse stellaire, ces isotopes sont produits dans des proportions différentes par les différents processus (fusion nucléaire, processus s, processus p, spallation),
  • l'abondance d'un isotope peut diminuer au cours du temps parce qu'il est radioactif,
  • l'abondance d'un isotope peut augmenter au cours du temps parce qu'il est radiogénique ou cosmogénique ;
• la présence de neutrons en nombres différents entraîne des différences entre les propriétés électroniques et les masses des différents isotopes, ce qui se traduit par des différences de propriétés physiques (transitions de phase, diffusion gazeuse) et chimiques (grandeurs thermodynamiques, vitesses de réaction) :
  • la proportion des différents isotopes peut ne pas être la même dans deux substances en équilibre. Cet effet est surtout sensible pour les éléments les plus légers (H, He, Li, Be, B, C, N, O),
  • les substances différant par leur composition isotopique se transforment (condensation ou évaporation, fusion ou solidification) ou réagissent à des vitesses différentes.

Ces différents processus à l'origine des différences de composition isotopique ont de nombreuses applications :

• les différences de productivité nucléosynthétique permettent de tracer l'origine des constituants primordiaux du Système solaire (grains présolaires, CAI, chondres) ;
• le caractère radioactif, radiogénique ou cosmogénique de certains isotopes permet la datation de différents événements (mort d'un organisme, formation d'une roche ou d'un minéral, métamorphisme, impact cosmique, etc.). Il en découle un grand nombre de méthodes de datation différentes, applicables à différents contextes géologiques et différentes échelles de temps : datation au carbone 14, datation rubidium-strontium, datation uranium-plomb, datation argon-argon, datation par les traces de fission, datation par le déséquilibre radioactif, datation par un isotope cosmogénique, datation par une radioactivité éteinte, etc.

Un exemple très connu de couple d'isotopes est constitué par le carbone : le carbone est présent en grande majorité sous son isotope de masse atomique 12 (le « carbone 12 ») ; d'autre part, on peut trouver en faible quantité l'isotope de masse atomique 14 (le carbone 14), qui est chimiquement strictement équivalent au carbone 12, mais qui est radioactif. En effet, les neutrons supplémentaires du noyau rendent l'atome instable. Il se désintègre en donnant de l'azote 14 et en émettant un rayonnement bêta.

• Le rapport ¹⁸O/¹⁶O (par exemple dans les apatites des fossiles de vertébrés) permet, dans une certaine mesure, de reconstituer certains paléoclimats ;
• Dans le domaine médical (médecine légale, médecine du travail, toxicologie, etc.) l'analyse isotopique permet de différencier diverses sources de contamination, et souvent d'identifier ainsi la source d'une intoxication.
• Dans le domaine de l'évaluation environnementale, l'analyse isotopique d'un organisme, du sol ou de sédiments permet de différencier la partie naturelle de la part anthropique d'une contamination par certains métaux, dont le plomb. Sur la base de signatures isotopiques particulières, on peut distinguer le plomb de céramiques, du plomb issu de la combustion du charbon et de l'essence. On peut ainsi tracer l'origine d'une pollution actuelle ou passée (déposée dans les sédiments). On a ainsi pu montrer que dans la Baie de San Simón (partie intérieure de la Ría de Vigo située au nord-ouest de l'Espagne), selon les époques, l'homme a été responsable de 25 à 98 % des apports de plomb trouvé dans les échantillons de la zone intertidale, et de 9 à 84 % dans les échantillons subtidaux. Les variations temporelles observées dans les carottes de sédiments ont pu être reliées, d'abord aux retombées de fumées de combustion de charbon (60 à 70 % du plomb de la baie) avant la création d'une usine de céramique dans la région (dans les années 1970), qui est alors devenue la principale source de plomb (de 95 à 100 % des apports), avant qu'une nouvelle source soit dominante : l'essence plombée. L'histoire des immiscions de plomb dans l'environnement de cette baie a pu être ainsi déterminée pour tout le XX^e siècle, et même pour le XIX^e siècle pour la zone subtidale.
• L'analyse isotopique est utilisée dans les études du réseau trophique. En effet, les consommateurs présentent une signature isotopique directement reliée à celle de leurs aliments (elle en diffère peu, et suivant une loi connue). En analysant les rapports isotopiques d'un consommateur et de ses aliments potentiels, il est possible de reconstituer le régime probable du consommateur.
• La lutte contre les fraudes utilise la précision de ces analyses pour élucider des responsabilités criminelles (détermination de la marque d'une cartouche de chasse ou origine d'une balle à partir d'un échantillon de plomb) ou de fraudes alimentaires (par exemple l'analyse des rapports isotopiques stables (¹³C/¹²C et ¹⁵N/¹⁴N) d'échantillons de viande d'agneau (mesurée par spectrométrie de masse isotopique) permet de confirmer ou infirmer une origine géographique, ou même de savoir si l'animal a uniquement tété le lait de sa mère, ou reçu des supplémentations solides (maïs, soja…) ou été nourri d'herbe naturelle…
  Ces analyses permettent aussi de différencier certains types d'agneau, mais aussi de vin, de jus de fruits, de miel ou de produits laitiers et fromages (dont AOC par exemple).
  Un simple échantillon haché solide suffit et permet d'acquérir l'information pour un grand nombre de métabolites (acides aminés, acides gras, sucres, etc.).

Analyses isotopiques en archéologie

Depuis les années 90, l’archéologie a connu de nombreuses avancées en termes de techniques d’analyse, ce qui a non seulement permis de dater des échantillons, mais aussi d’obtenir des informations sur l’alimentation des populations animales et humaines. Il est donc possible de savoir quel régime alimentaire a été suivi par un individu à une époque et à une localisation donnée et ce à différents moments de sa vie selon le tissu squelettique étudié. En effet, la composition chimique des ossements dépend en partie des aliments consommés durant la vie et plus généralement de l’environnement de vie. Avec ces informations, il est possible de faire un lien entre l’alimentation et la place de l’individu en s’appuyant sur d’autres ressources archéologiques.

L’analyse isotopique est l’une des méthodes les plus utilisées en archéologie à ce jour. Elle est utilisée entre autres à Grenoble au musée archéologique Saint-Laurent. Ce lieu n'est pas un simple musée puisque des recherches en archéologie sont encore en cours. En complément de cette méthode utilisant des isotopes, on peut s’appuyer sur l’usure dentaire et la présence de caries.

En archéologie, l’analyse isotopique consiste à déterminer après extraction du collagène d’ossements et de dents fossilisées différents rapports isotopiques : ¹³C/¹⁴C, ¹³C/¹⁵N, ¹⁵N/¹⁴N, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr , Sr/Ca, ¹⁸O/¹⁶O. Elle est également utilisée pour étudier des tissus humains tels que les cheveux et la peau, remarquablement conservés dans des milieux humides, désertiques ou gelés. L’analyse du rapport ¹³C/¹⁴C, plus connue sous le nom la datation par carbone 14, et l’analyse du rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr donne accès à l’âge des échantillons. L’analyse des rapports ¹³C/¹⁵N, ¹⁵N/¹⁴N, Sr/Ca permettent quant à eux d’en apprendre plus sur le régime alimentaire associé aux échantillons retrouvés. Plus particulièrement, le rapport ¹³C/¹⁵N permet de distinguer les régimes alimentaires des carnivores aux herbivores et met en lumière la consommation de certaines plantes telles que les plantes marines, de climat tempéré ou tropical.

Séparation des isotopes

Pour la recherche (étude des propriétés d'un isotope particulier ou préparation de traceurs isotopiques), pour les applications médicales et pour l'industrie nucléaire civile (réacteurs) ou militaire (bombes A), on a besoin, à partir d'une substance ayant une certaine composition isotopique pour un certain élément (généralement sa composition naturelle), de l'enrichir en l'un de ses isotopes, voire de séparer le plus complètement possible un ou plusieurs isotopes.

Méthodes

Quand les quantités à produire sont relativement faibles (du gramme au kilogramme), la séparation des isotopes d'une substance peut se faire par spectrométrie de masse, en utilisant des spectromètres de masse fondés sur le même principe que ceux utilisés pour la mesure des compositions isotopiques, mais adaptés à la récolte des isotopes séparés par le champ magnétique de l'aimant du spectromètre, à une échelle semi-industrielle.

Pour des quantités plus importantes, notamment pour enrichir l'uranium en uranium 235 dans l'industrie nucléaire, on utilise surtout la diffusion et la centrifugation, appliquées à l'hexafluorure d'uranium gazeux.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Isobare (chimie)
• Isotone
• Classification périodique des éléments
• Période radioactive
• Radioactivité
• Noyau exotique
• Table des isotopes
• Isotope stable
• Hydrologie isotopique
• Radioisotope synthétique
• Chronologie isotopique
• Méthodes scientifiques de l'archéologie
• Paléontologie
• Paléoclimatologie
• Rapport isotopique

Liens externes

• (en) The Isotopes Project Home Page (Compilation et diffusion de données sur les isotopes)

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Tableau périodique des isotopes