Isotope

Propriétés chimiques et moléculairesEdit

Un atome neutre possède le même nombre d’électrons que de protons. Ainsi, les différents isotopes d’un élément donné ont tous le même nombre d’électrons et partagent une structure électronique similaire. Comme le comportement chimique d’un atome est largement déterminé par sa structure électronique, différents isotopes présentent un comportement chimique presque identique.

La principale exception à cette règle est l’effet isotopique cinétique : en raison de leur masse plus importante, les isotopes les plus lourds ont tendance à réagir un peu plus lentement que les isotopes plus légers du même élément. Cet effet est de loin le plus prononcé pour le protium (1
H
), le deutérium (2
H
) et le tritium (3
H
), car le deutérium a une masse deux fois supérieure à celle du protium et le tritium a une masse trois fois supérieure à celle du protium. Ces différences de masse affectent également le comportement de leurs liaisons chimiques respectives, en modifiant le centre de gravité (masse réduite) des systèmes atomiques. Toutefois, pour les éléments plus lourds, la différence de masse relative entre les isotopes est beaucoup moins importante, de sorte que les effets de la différence de masse sur la chimie sont généralement négligeables. (Les éléments lourds ont également relativement plus de neutrons que les éléments plus légers, de sorte que le rapport entre la masse nucléaire et la masse électronique collective est légèrement supérieur). Il existe également un effet isotopique d’équilibre.

La demi-vie des isotopes. Z = nombre de protons. N = nombre de neutrons. Le tracé des isotopes stables diverge de la droite Z = N lorsque le numéro d’élément Z devient plus grand

De même, deux molécules qui ne diffèrent que par les isotopes de leurs atomes (isotopologues) ont une structure électronique identique, et donc des propriétés physiques et chimiques presque indiscernables (là encore, le deutérium et le tritium étant les principales exceptions). Les modes de vibration d’une molécule sont déterminés par sa forme et par les masses des atomes qui la composent ; ainsi, différents isotopologues ont des ensembles différents de modes de vibration. Comme les modes vibrationnels permettent à une molécule d’absorber les photons d’énergies correspondantes, les isotopologues ont des propriétés optiques différentes dans le domaine infrarouge.

Propriétés nucléaires et stabilitéModification

Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons liés entre eux par la force forte résiduelle. Les protons étant chargés positivement, ils se repoussent mutuellement. Les neutrons, qui sont électriquement neutres, stabilisent le noyau de deux manières. Leur coprésence éloigne légèrement les protons, réduisant ainsi la répulsion électrostatique entre les protons, et ils exercent la force nucléaire attractive les uns sur les autres et sur les protons. Pour cette raison, un ou plusieurs neutrons sont nécessaires pour que deux protons ou plus se lient dans un noyau. Plus le nombre de protons augmente, plus le rapport neutrons-protons nécessaire pour assurer la stabilité du noyau augmente (voir graphique à droite). Par exemple, bien que le rapport neutrons-protons de 3
2He
soit de 1:2, le rapport neutrons-protons de 238
92U
est supérieur à 3:2. Un certain nombre d’éléments plus légers ont des nucléides stables dont le rapport est de 1:1 (Z = N). Le nucléide 40
20Ca
(calcium-40) est, d’après les observations, le nucléide stable le plus lourd avec le même nombre de neutrons et de protons. Tous les nucléides stables plus lourds que le calcium-40 contiennent plus de neutrons que de protons.

Nombre d’isotopes par élémentEdit

Sur les 80 éléments possédant un isotope stable, le plus grand nombre d’isotopes stables observé pour un élément est de dix (pour l’élément étain). Aucun élément ne possède neuf ou huit isotopes stables. Cinq éléments ont sept isotopes stables, huit ont six isotopes stables, dix ont cinq isotopes stables, neuf ont quatre isotopes stables, cinq ont trois isotopes stables, 16 ont deux isotopes stables (en comptant 180m
73Ta
comme stable), et 26 éléments n’ont qu’un seul isotope stable (parmi eux, 19 sont des éléments dits mononucléides, ayant un seul isotope stable primordial qui domine et fixe le poids atomique de l’élément naturel avec une grande précision ; Il existe également trois éléments mononucléides radioactifs). Au total, il existe 252 nucléides dont la désintégration n’a pas été observée. Pour les 80 éléments qui ont un ou plusieurs isotopes stables, le nombre moyen d’isotopes stables est de 252/80 = 3,15 isotopes par élément.

Nombre de nucléons pairs et impairsModification

.

Le rapport proton :neutrons n’est pas le seul facteur affectant la stabilité nucléaire. Elle dépend également de la régularité ou de l’impaire de son numéro atomique Z, du nombre de neutrons N et, par conséquent, de leur somme, le nombre de masse A. L’impaire à la fois de Z et de N tend à diminuer l’énergie de liaison nucléaire, rendant les noyaux impairs, généralement, moins stables. Cette différence remarquable d’énergie de liaison nucléaire entre noyaux voisins, en particulier des isobares impairs-A, a des conséquences importantes : les isotopes instables ayant un nombre non optimal de neutrons ou de protons se désintègrent par désintégration bêta (y compris l’émission de positrons), par capture d’électrons ou par d’autres modes de désintégration moins courants tels que la fission spontanée et la désintégration en grappe.

La majorité des nucléides stables sont pairs-proton-pair-neutron, où tous les nombres Z, N et A sont pairs. Les nucléides stables odd-A sont divisés (de manière à peu près égale) en nucléides odd-proton-even-neutron, et en nucléides even-proton-odd-neutron. Les noyaux stables odd-proton-odd-neutron sont les moins courants.

Numéro atomique pairEdit

Les 146 nucléides pairs-protons, pairs-neutrons (EE) représentent ~58% de tous les nucléides stables et ont tous un spin 0 à cause de l’appariement. Il existe également 24 nucléides pairs-équivalents primordiaux à longue durée de vie. Par conséquent, chacun des 41 éléments pairs de 2 à 82 possède au moins un isotope stable, et la plupart de ces éléments ont plusieurs isotopes primordiaux. La moitié de ces éléments pairs ont six isotopes stables ou plus. L’extrême stabilité de l’hélium-4 due à un double appariement de 2 protons et 2 neutrons empêche tout nucléide contenant cinq (5
2He
, 5
3Li
) ou huit (8
4Be
) nucléons d’exister suffisamment longtemps pour servir de plateforme à l’édification d’éléments plus lourds par fusion nucléaire dans les étoiles (voir processus triple alpha).

.vie

53 nucléides stables possèdent un nombre pair de protons et un nombre impair de neutrons. Ils sont minoritaires par rapport aux isotopes pairs-égaux, qui sont environ 3 fois plus nombreux. Parmi les 41 éléments pairs-Z qui ont un nucléide stable, seuls deux éléments (argon et cérium) n’ont pas de nucléides stables pairs-impairs. Un élément (l’étain) en possède trois. Vingt-quatre éléments ont un nucléide pair-impair et 13 ont deux nucléides impairs-impairs. Sur 35 radionucléides primordiaux, il existe quatre nucléides pairs (voir le tableau à droite), dont le 235
92U
fissile. En raison de leur nombre impair de neutrons, les nucléides pairs ont tendance à avoir des sections efficaces de capture de neutrons importantes, en raison de l’énergie qui résulte des effets d’appariement des neutrons. Ces nucléides stables pairs-protons impairs ont tendance à être peu abondants dans la nature, généralement parce que, pour se former et entrer dans l’abondance primordiale, ils doivent avoir échappé à la capture des neutrons pour former encore d’autres isotopes stables pairs, au cours du processus s et du processus r de capture des neutrons, pendant la nucléosynthèse dans les étoiles. Pour cette raison, seuls 195
78Pt
et 9
4Be
sont les isotopes les plus abondants à l’état naturel de leur élément.

Numéro atomique impairEdit

Quarante-huit nucléides stables impairs-proton-pair-neutron, stabilisés par leurs neutrons appariés, forment la plupart des isotopes stables des éléments impairs ; les très rares nucléides impairs-proton-odd-neutron comprennent les autres. Il existe 41 éléments impairs avec Z = 1 à 81, dont 39 ont des isotopes stables (les éléments technétium (
43Tc
) et prométhium (
61Pm
) n’ont pas d’isotopes stables). Parmi ces 39 éléments Z impairs, 30 éléments (dont l’hydrogène-1 où 0 neutrons est pair) ont un isotope pair-impair stable, et neuf éléments : le chlore (
17Cl
),le potassium (
19K
),le cuivre (
29Cu
),le gallium (
31Ga
),le brome (
35Br
),l’argent (
47Ag
),l’antimoine (
51Sb
),l’iridium (
77Ir
),et le thallium (
81Tl
), ont chacun deux isotopes stables pairs et impairs. Cela fait un total de 30 + 2(9) = 48 isotopes pairs et impairs stables.

Il existe également cinq isotopes pairs et impairs radioactifs primordiaux à longue durée de vie, 87
37Rb
, 115
49In
, 187
75Re
, 151
63Eu
, et 209
83Bi
. On n’a découvert que récemment que les deux derniers se désintégraient, avec des demi-vies supérieures à 1018 ans.

Seuls cinq nucléides stables contiennent à la fois un nombre impair de protons et un nombre impair de neutrons. Les quatre premiers nucléides « impairs » se rencontrent dans les nucléides de faible masse, pour lesquels le changement d’un proton en neutron ou vice versa conduirait à un rapport proton-neutron très déséquilibré (2
1H
, 6
3Li
, 10
5B
et 14
7N
; spins 1, 1, 3, 1). Le seul autre nucléide impair entièrement « stable », 180m
73Ta
(spin 9), est considéré comme le plus rare des 252 isotopes stables, et est le seul isomère nucléaire primordial, dont la désintégration n’a pas encore été observée malgré les tentatives expérimentales.

On connaît de nombreux radionucléides impairs (comme le tantale-180) avec des demi-vies comparativement courtes. Habituellement, ils se désintègrent en bêta vers leurs isobares pairs-pairs voisins qui ont des protons et des neutrons appariés. Parmi les neuf nucléides impairs primordiaux (cinq stables et quatre radioactifs à longue demi-vie), seul le 14
7N
est l’isotope le plus courant d’un élément commun. C’est le cas parce qu’il fait partie du cycle CNO. Les nucléides 6
3Li
et 10
5B
sont des isotopes minoritaires d’éléments eux-mêmes rares par rapport aux autres éléments légers, alors que les six autres isotopes ne représentent qu’un infime pourcentage de l’abondance naturelle de leurs éléments.

Nombre impair de neutronsEdit

.

Les actinides à nombre de neutrons impair sont généralement fissiles (avec des neutrons thermiques), alors que ceux dont le nombre de neutrons est pair ne le sont généralement pas, bien qu’ils soient fissiles avec des neutrons rapides. Tous les nucléides impairs stables d’un point de vue observationnel ont un spin entier non nul. Cela s’explique par le fait que le neutron et le proton non appariés ont une plus grande force d’attraction nucléaire l’un envers l’autre si leurs spins sont alignés (produisant un spin total d’au moins 1 unité), au lieu d’être anti-alignés. Voir le deutérium pour le cas le plus simple de ce comportement nucléaire.

Seulement 195
78Pt
, 9
4Be
et 14
7N
ont un nombre impair de neutrons et sont l’isotope le plus abondant naturellement de leur élément.

Les isotopes les plus abondants de leur élément.