Isotope
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En physique nucléaire, un isotope est un corps simple ayant le même numéro atomique qu'un autre, des propriétés chimiques presque identiques (même élément chimique), mais une masse atomique différente.
Les différences physiques entre isotopes d'un même élément sont dues à la différence de constitution du noyau de l'atome : le nombre de protons, correspondant à son numéro atomique Z, reste toujours inchangé ; c'est le nombre de neutrons N qui diffère d'un isotope à l'autre d'un même élément.
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Notation
Un isotope est couramment désigné par son symbole chimique, complété par son nombre de masse (ou encore appelé masse atomique) A (égal au nombre de nucléons de l'atome) placé en haut et à gauche du symbole.
Exemple: l'isotope du carbone de nombre de masse 14 est noté 14C.
Il est d'usage de compléter cette écriture par le numéro atomique Z , placé en bas et à gauche du symbole, pour décrire une réaction nucléaire dans laquelle intervient un isotope.
Le carbone 14 est ainsi noté <math>{}_{\ 6}^{14}\operatorname{C}</math>.
Propriétés des isotopes
Les propriétés chimiques des isotopes d'un même élément sont identiques car ces isotopes ont le même nombre d'électrons.
En revanche, comme le noyau ne comporte pas le même nombre de neutrons, la masse des atomes varie. Cette différence de masse atomique permet de séparer les isotopes d'un même élément par spectrométrie de masse ou par centrifugation et ainsi de les distinguer. De plus, la proportion de neutrons dans le noyau peut rendre l'atome instable : c'est pourquoi certains isotopes sont radioactifs.
Stabilité des isotopes
Il existe 92 éléments chimiques différents dans la nature, de l'hydrogène 1H au plutonium 94Pu, le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm n'ayant ni isotope stable, ni isotope radioactif de période suffisamment longue. 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 24Cr, 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) égal à un des nombres (dit magiques) de la série :
- 2, 8, 20, 50, 82, 126 ;
- les éléments de nombre Z impair possèdent moins d'isotopes stables que les éléments de nombre Z pair.
Utilisation des isotopes
Un exemple très connu de couple d'isotopes est constitué par le carbone : le carbone est présent en grande majorité sous son isotope de poids atomique 12 (le « carbone 12 ») ; d'autre part, on peut trouver en faible quantité l'isotope de poids 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 et en émettant un rayonnement bêta.
La proportion de l'isotope stable par rapport à l'isotope instable varie donc au cours du temps. C'est sur cette variation que se basent les méthodes de datation radioactive par couple d'isotopes (dont la plus connue est la méthode de datation au carbone 14). C'est certainement l'application la plus importante du concept d'isotope. Les traceurs isotopiques sont une autre application de ce concept.
Autres acceptions
Dans la série animée les Simpson, l'équipe de baseball de Springfield s'appelle Les Isotopes dont le sponsor n'est autre que la centrale nucléaire de Springfield.
