isotope

Quelques isotopes des éléments nickel (Ni), cuivre (Cu) et zinc (Zn). Comme dans la plupart des cartes de nucléides , les éléments sont classés par ordre croissant de nombre atomique de bas en haut, les isotopes par ordre croissant de nombre de masse de gauche à droite. Noir: stable, bleu: bêta moins radioactif , rouge: isotope bêta plus radioactif .

Comme les isotopes (du grec ancien ἴσος isos "égal" et τόπος tópos "place Agent") se réfèrent à des types d'atomes dont les noyaux atomiques contiennent le même nombre de protons mais différents, de nombreux neutrons contiennent. Ils ont le même numéro atomique et représentent donc le même élément mais ont des numéros de masse différents ; Il y a donc les isotopes de l' oxygène , les isotopes du fer , etc. Les différents isotopes d'un élément se comportent chimiquement presque de la même manière.

Le nom vient du fait que les isotopes d'un élément sont au même endroit dans le tableau périodique . Ils sont présentés séparément sur une carte des nucléides . Le terme isotope est plus ancien que le terme nucléide , qui signifie généralement "type d'atome". «Isotope» est donc encore souvent utilisé dans le sens de nucléide, c'est-à-dire H. même si nous ne parlons pas seulement d'atomes d'un seul et même élément. Le terme isotope a été inventé par Frederick Soddy , qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1921 pour ses travaux et ses connaissances dans le domaine des isotopes et des radionucléides .

Pour chaque élément connu, à l'exception de l' oganesson , synthétisé pour la première fois en 2006 , plusieurs isotopes ont été détectés (voir liste des isotopes et carte des nucléides ). Il existe environ 3300 nucléides connus au total. Environ 240 d'entre eux sont stables. Tous les autres sont instables, c'est-à-dire que leurs atomes se transforment en d'autres atomes par désintégration radioactive après une période de temps plus ou moins longue. Pour certains nucléides traditionnellement considérés comme stables, ce temps est si long que leur désintégration n'a été découverte qu'aujourd'hui ou est encore recherchée dans les expériences.

Sur les 91 éléments naturels, 69 se trouvent dans la nature sous forme de mélanges de plusieurs isotopes ( éléments mixtes ). Les 22 autres sont appelés éléments purs . Le poids atomique chimique des éléments mixtes est la valeur moyenne des différentes masses atomiques des isotopes impliqués.

Désignation et notation de formule

La notation est décrite en détail dans Nuklid . Dans le texte, un isotope est désigné par le nom ou le symbole de l'élément avec le numéro de masse attaché, par exemple oxygène-16 ou O-16, fer-56 ou Fe-56. Les exceptions sont parfois les isotopes de l' hydrogène (voir la section suivante).

Le numéro de masse est ajouté au symbole d'élément en haut à gauche en tant que symbole de formule. Le numéro atomique est déjà donné par le nom (le symbole de l'élément), mais peut également être écrit dans le symbole de l'élément en bas à gauche, à condition qu'il - z. B. dans les réactions nucléaires - présente un intérêt, comme dans

Si un m apparaît dans la désignation (par exemple 16m1 N), cela signifie un isomère de noyau . S'il y a un nombre après le m , il s'agit d'une numérotation s'il existe plusieurs isomères.

Réactions chimiques des isotopes

Les isotopes d'un élément ont la même couche d'électrons. En conséquence, ils ne diffèrent pas dans le type de réactions possibles , mais uniquement dans leur vitesse de réaction , car celle-ci dépend quelque peu de la masse.

Dans le cas des éléments lourds, cependant, la différence de masse relative est très faible. Le rapport des masses atomiques de l' uranium 238 et de l'uranium 235 est de 1: 1,013; il n'y a pas de différence notable dans leur comportement chimique; des méthodes physiques doivent être utilisées pour la séparation (voir enrichissement de l'uranium ). Pour les isotopes du lithium lithium-7 et lithium-6, le rapport est de 1: 1,17; des méthodes de séparation physico-chimiques sont possibles ici (voir lithium ). Les différences de masse des trois isotopes de l'hydrogène sont très importantes ( 1 H:  2 H:  3 H comme 1: 2: 3), c'est pourquoi ils réagissent chimiquement légèrement différemment et ont même leurs propres noms et symboles chimiques:

  • De loin, l'isotope d'hydrogène le plus courant 1 H est également connu sous le nom de protium ou d'hydrogène léger .
  • L'isotope 2 H est également appelé deutérium ou hydrogène lourd . Symbole: D.
  • L'isotope 3 H est également connu sous le nom de tritium ou hydrogène super - lourd . Symbole: T.

Le comportement physico-chimique différent de H et D apparaît dans l' électrolyse de l' eau . L'eau avec 1 H normal réagit préférentiellement et se décompose en hydrogène et oxygène, tandis que les molécules d'eau contenant du D ( 2 H deutérium, hydrogène lourd) s'accumulent dans l'eau restante (par rapport au rapport naturel d'environ 1: 7 000).

Éléments mixtes et éléments purs

Pratiquement tous les nucléides naturels sur Terre sont soit stables (c'est-à-dire qu'aucune désintégration n'a été observée) ou sont radioactifs avec une demi-vie qui n'est pas significativement plus courte que l' âge de la Terre . Ceux-ci sont appelés nucléides primordiaux .

Un total d'environ 245 nucléides stables est connu (voir la carte des nucléides : les nucléides stables sont représentés sur un fond noir). Dans le cas de «stable», cependant, une distinction doit être faite entre la question de savoir si la désintégration du nucléide apparaît comme exclue par la loi naturelle ou si elle apparaît possible mais n'a pas encore été observée. Le nombre de nucléides stables dans ce dernier sens a diminué à maintes reprises au fil du temps: grâce à des méthodes de détection améliorées, certains nucléides qui étaient auparavant considérés comme stables ont ensuite été reconnus comme radioactifs. Avec la détection de la radioactivité du bismuth -209 en 2003, il a été constaté que le plomb -208 est le nucléide stable le plus lourd et donc le plomb est l'élément le plus lourd avec des isotopes stables.

Les éléments présents dans la nature sont pour la plupart des éléments mixtes, i. H. Mélanges d'isotopes. L'étain possède les isotopes les plus naturels avec 10 isotopes, suivi du xénon avec 9 isotopes naturels, dont 8 sont stables. Les éléments qui ne sont constitués que d'un isotope naturel sont appelés élément pur . Un élément pur a exactement un isotope primordial. Cette propriété comprend 19 éléments instables stables et 3 éléments instables de longue durée.

Isotopes connus

hydrogène

L'hydrogène est l'élément ayant le plus fort effet isotopique chimique . L'hydrogène lourd ( 2 H ou deutérium ) sert de modérateur dans le réacteur à eau lourde . L'hydrogène lourd ( 3 H ou tritium ) est radioactif. Il est créé dans l'atmosphère par les rayons cosmiques et dans les réacteurs nucléaires. Le tritium a été utilisé dans les peintures lumineuses pour les cadrans d'horloges, etc. entre 1960 et 1998 environ. À l'avenir, le deutérium et le tritium seront utilisés en plus grandes quantités comme combustible pour les réacteurs à fusion nucléaire .

hélium

L'hélium est l'élément ayant le plus fort effet isotopique physique . Dans le domaine des basses températures en particulier , les deux isotopes de l'hélium se comportent très différemment, puisque 3 He est un fermion et 4 He est un boson .

carbone

Un isotope bien connu est le 14 C radioactif , qui sert à déterminer l'âge des matières organiques ( archéologie ) ( méthode au radiocarbone ). Le carbone naturel se trouve principalement dans les isotopes stables 12 C et 13 C. Le 14 C est formé à partir d'azote dans des couches atmosphériques élevées.

oxygène

Le rapport des deux isotopes stables de l' oxygène 18 O et 16 O est utilisé pour étudier les paléo températures . Les isotopes stables de l'oxygène conviennent également comme traceurs naturels dans les systèmes aquatiques.

uranium

L'isotope 235 U est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires . Pour la plupart des types de réacteurs, l' uranium naturel doit être enrichi en 235 U. Le 235 U presque pur est utilisé dans certaines armes nucléaires .

Isotopes dans l'analyse

Dans les mesures du spectre optique avec une résolution suffisante, les isotopes d'un élément peuvent être différenciés par leurs raies spectrales ( décalage isotopique ).

La composition isotopique d'un échantillon est généralement déterminée avec un spectromètre de masse , dans le cas d' isotopes traces avec spectrométrie de masse par accélérateur .

Les isotopes radioactifs peuvent souvent être identifiés par leurs produits de désintégration ou les rayonnements ionisants émis .

Les isotopes jouent également un rôle dans la spectroscopie RMN . Par exemple, l'isotope commun du carbone 12 C n'a pas de moment magnétique et n'est donc pas observable. Les recherches sur le carbone ne peuvent donc être menées qu'en utilisant l' isotope 13 C, beaucoup plus rare .

Les isotopes sont également utilisés dans l'élucidation des mécanismes de réaction ou des métabolismes à l'aide de ce que l'on appelle le marquage isotopique .

La composition isotopique de l'eau est différente et caractéristique dans différents endroits du monde. Ces différences permettent de vérifier la déclaration du lieu d'origine pour des aliments tels que le vin ou le fromage .

L'étude de certains modèles isotopiques (en particulier les modèles isotopiques 13 C) dans les molécules organiques est appelée analyse isotopomère. Entre autres, il permet la détermination des flux de matières intracellulaires dans les cellules vivantes. De plus, l'analyse des ratios 13 C / 12 C, 15 N / 14 N et 34 S / 32 S est aujourd'hui largement répandue en écologie . Sur la base du fractionnement, les flux massiques peuvent être dans la voie des réseaux trophiques ou les Trophieniveaus déterminer les espèces individuelles. Les isotopes stables servent également de traceurs naturels en médecine .

En hydrologie , les conclusions sur les processus hydrologiques sont tirées des rapports de concentration des isotopes. Le cycle de l'eau accompagne la plupart des flux de matières au-dessus et au-dessous de la surface de la terre. Le Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOV) est souvent utilisé comme référence.

La géochimie traite des isotopes dans les minéraux , les roches , le sol , l' eau et l' atmosphère .

Voir également

Littérature

  • Werner Stolz: Radioactivité. Bases, mesures, applications. 5e édition. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .
  • Bogdan Povh , K. Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Particules et noyaux. Une introduction aux concepts physiques. 7e édition. Springer, Berlin / Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-36685-0 .
  • Klaus Bethge , Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Physique nucléaire. 2e édition. Springer, Berlin / Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41444-4 .
  • Hanno Krieger: Bases de la physique des rayonnements et de la radioprotection. 2e édition. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .

liens web

Wiktionnaire: Isotop  - explications des significations, origines des mots, synonymes, traductions

Preuve individuelle

  1. Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic: Détection expérimentale de particules α à partir de la désintégration radioactive du bismuth naturel . Dans: Nature . enregistrer 422 , no. 6934 , avril 2003, p. 876–878 , tableau des résultats 1 , doi : 10.1038 / nature01541 .
  2. Paul Königer: Tracer les approches hydrologiques pour la détermination de la nouvelle formation des eaux souterraines . Inst. Pour l'hydrologie, Fribourg i. Br.2003 , DNB  969622139 ( PDF - plus mémoire, Université de Fribourg).