isotopes

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Présentation

isotopes, groupe de plusieurs atomes de même numéro atomique, correspondant donc au même élément chimique, mais dont les nombres de masse diffèrent.

Comme le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau et que le nombre de masse est la somme totale des protons et neutrons dans le noyau, les isotopes d'un même élément diffèrent uniquement par le nombre de neutrons dans leur noyau. Voir atome.

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Recherche

Les expériences réalisées au début du xx^e siècle montrent que les composés radioactifs qui sont chimiquement inséparables peuvent différer l'un de l'autre par la structure de leur noyau. En 1912, le physicien britannique sir Joseph Thomson démontre l'existence d'isotopes stables, en faisant passer du néon dans un tube à décharge, et en faisant dévier les ions de néon par application de champs électriques et magnétiques. Il montre ainsi que les éléments stables du néon existent sous plus d'une forme. Thomson découvre deux isotopes du néon, l'un avec un nombre de masse de 20 et l'autre de masse 22. Des expériences ultérieures montrent que le néon naturel contient 90 p. 100 de néon-20 (l'isotope de masse 20), 9,73 p. 100 de néon-22 et 0,27 p. 100 de néon-21. La recherche sur les isotopes est poursuivie par de nombreux scientifiques, notamment par le physicien britannique Francis William Aston, qui met au point le spectromètre de masse, en 1919. Cet appareil facilite considérablement la découverte et l'étude des isotopes.

On sait maintenant que la plupart des éléments à l'état naturel sont en fait un mélange de plusieurs isotopes. Le béryllium, l'aluminium, le phosphore et le sodium n'ont pas d'isotope connu. La masse atomique d'un élément est la moyenne pondérée des masses atomiques des isotopes. Par exemple, le chlore naturel, de masse atomique 35,547, contient 76 p. 100 de chlore-35 et 24 p. 100 de chlore-37. La masse du chlore est donc la moyenne pondérée de la masse de ces deux isotopes. Tous les isotopes des éléments de numéro atomique supérieur à 82 (au-delà du plomb dans le tableau périodique) sont radioactifs et certains isotopes plus légers, comme le potassium-40, sont également radioactifs.

Des isotopes artificiels radioactifs, appelés radio-isotopes ou radionucléides, sont synthétisés pour la première fois en 1933 par les physiciens français Irène et Frédéric Joliot-Curie. Les radio-isotopes sont obtenus en bombardant des atomes naturels cibles avec des particules nucléaires à grande vitesse, telles que les neutrons, les électrons, les protons et les particules alpha, au moyen d'accélérateurs de particules. (voir radioactivité).

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Séparation

La séparation des isotopes du même élément est difficile. Une séparation chimique complète en une étape est impossible, car les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques. Les méthodes physiques sont en général basées sur les différences extrêmement faibles dans les propriétés physiques des isotopes, dues à leur différence de masse. La séparation électrolytique et les différentes méthodes d'échange utilisent la différence d'énergie des liaisons chimiques, qui sont fonction de la masse de l'isotope. Les isotopes non radioactifs de l'hydrogène, à savoir le deutérium (hydrogène-2) et l'hydrogène ordinaire (hydrogène-1), sont les premiers isotopes à être séparés en quantités appréciables. On doit cette réalisation au chimiste américain Harold Urey, qui découvre le deutérium en 1931.

Avant 1940, de nombreuses méthodes sont utilisées pour la séparation de petites quantités d'isotopes dans un but de recherche. Parmi les procédés les plus fructueux, on peut citer la centrifugation, la distillation fractionnée, la diffusion thermique, l'électrolyse, la diffusion gazeuse et la séparation électromagnétique. Ces méthodes reposent sur la faible différence de masse entre les isotopes à séparer et sont surtout efficaces pour les isotopes de l'hydrogène, car la différence de masse entre les deux isotopes est de 100 p. 100, alors que la différence de masse entre les isotopes de carbone-12 et de carbone-13, ou entre les isotopes de néon-20 et de néon-22 est seulement de 10 p. 100. Entre les isotopes d’uranium-235 et d’uranium-238, cette différence est légèrement supérieure à 1 p. 100. Plus la différence de masse entre les isotopes est faible par rapport à la masse de l'élément, plus la séparation isotopique sera difficile. À l'exception du procédé électromagnétique qui s'effectue en une seule étape, toutes les méthodes de séparation isotopique impliquent une succession d'étapes de production. À l'issue de la première étape, on obtient deux fractions : dans l'une, la proportion de l'isotope le plus lourd est légèrement supérieure à cette proportion dans le mélange initial ; dans l'autre, le mélange est « enrichi » en l'isotope léger par rapport au mélange de départ.

Pour obtenir un enrichissement notable en l'isotope recherché, il est nécessaire de séparer à nouveau la fraction enrichie. Ce procédé est en général réalisé au moyen d'une cascade comprenant un grand nombre d'étapes. La fraction enrichie de toute étape devient la matière première pour l'étape suivante et la fraction appauvrie qui contient encore un pourcentage important de l'isotope recherché est mélangée avec la matière de départ de l'étape précédente. La matière appauvrie de la première étape est épuisée dans les étapes supplémentaires lorsque la matière première (par exemple, l'uranium) est rare. Un dispositif est conçu pour automatiser en continu la circulation d'une étape à une autre.

Une telle cascade est extrêmement souple et les unités peuvent être déplacées d'une étape de séparation à une autre comme on le souhaite. Par exemple, dans la séparation de l'uranium, une grande quantité de matière doit être traitée au départ, car l'uranium-235 recherché est mélangé avec 140 fois plus d'uranium-238. À la fin du procédé, l'uranium-235 est presque pur et la quantité de matière est beaucoup plus faible.

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Centrifugation et distillation

La centrifugation utilise la différence de masse pour séparer les isotopes. Dans ce procédé, on emploie un cylindre rotatif contenant le mélange à séparer. Le cylindre est placé de façon à ce que la vapeur s'échappe vers le bas dans la partie extérieure du cylindre et vers le haut dans la partie centrale du cylindre. L'effet centrifuge produit une concentration croissante de l'isotope lourd dans la partie extérieure.

Dans la séparation par distillation fractionnée, un mélange contenant différents isotopes est distillé. Les molécules de la fraction ayant le plus bas point d'ébullition (les isotopes les plus légers) tendent à se concentrer dans le courant de vapeur et sont ainsi recueillies.