17.1 : Isotopes radioactifs

Rappelons qu'un atome est le plus petit composant d'un élément qui conserve toutes les propriétés chimiques de cet élément (voir Matière). Comme indiqué précédemment, les atomes contiennent des neutrons non chargés et des protons chargés positivement dans le noyau. Des électrons chargés négativement entourent le noyau. La masse atomique d'un atome est déterminée par le nombre de protons et de neutrons car la masse des électrons est négligeable. Chaque proton ou neutron pèse 1 unité de masse atomique (UMA). Les valeurs de masse atomique affichées dans le tableau périodique des éléments ne sont pas des nombres entiers car elles représentent la masse atomique moyenne des atomes de cet élément (figure\(\PageIndex{a}\)). Les atomes d'un même élément n'ont pas nécessairement la même masse car ils peuvent avoir un nombre de neutrons différent.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Le nombre entier dans chaque cellule du tableau périodique est le numéro atomique, ou le nombre de protons (1 pour l'hydrogène et 92 pour l'uranium). Le numéro de masse atomique est également indiqué, qui est le nombre moyen de protons et de neutrons (1,01 pour l'hydrogène et 238,03 pour l'uranium). Images recadrées et étiquetées à partir du National Center for Biotechnology Information (domaine public).

Les isotopes sont des formes différentes d'un même élément qui contiennent le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Certains éléments, tels que le carbone, le potassium et l'uranium, contiennent des isotopes naturels. Le carbone 12, l'isotope le plus courant du carbone, contient six protons et six neutrons. Il a donc un nombre de masse de 12 (six protons et six neutrons) et un numéro atomique de 6 (ce qui en fait du carbone). Le carbone 14 contient six protons et huit neutrons. Il a donc un nombre de masse de 14 (six protons et huit neutrons) et un numéro atomique de 6, ce qui signifie qu'il s'agit toujours de l'élément carbone. Ces deux formes alternatives de carbone sont des isotopes. Certains isotopes sont instables et émettent des radiations sous forme de particules et d'énergie pour former des éléments plus stables. Certaines formes de rayonnement sont dangereuses. Ils sont appelés isotopes radioactifs ou radio-isotopes (figure\(\PageIndex{b}\)). Au cours de la désintégration radioactive, un type d'atome peut se transformer en un autre type d'atome de cette manière (figure\(\PageIndex{c}\)).

Figure\(\PageIndex{b}\) : Isotopes de l'hydrogène. Tous ces atomes possèdent un proton (cercle rose marqué « p ⁺ »), mais le protium ne possède pas de neutrons, le deutérium possède un neutron (cercle orange marqué « n ») et le tritium possède deux neutrons. Le proton et le ou les neutrons sont situés au centre de l'atome (le noyau). Un électron (cercle bleu marqué « e ^- ») tourne autour de chaque noyau atomique. Image tirée du National Isotope Development Center/Programme d'isotopes du Département américain de l'Énergie (domaine public).

Figure\(\PageIndex{c}\) : Un isotope radioactif du carbone (carbone 14) possède six protons et huit neutrons. Il se désintègre en un isotope stable de l'azote (azote-14), qui possède sept protons et sept neutrons. La désintégration radioactive libère du rayonnement. (Le type particulier de rayonnement qui se produit dans cet exemple est appelé désintégration bêta moins, β-.) Le carbone 14 se dégrade à un rythme prévisible, la moitié de celui-ci se décomposant tous les 5 730 ans. Parce que le carbone est abondant dans les organismes, ce taux de décomposition prévisible est couramment utilisé pour la datation des fossiles. Image du CDC (domaine public).

Demi-vie

La demi-vie est le temps nécessaire à la désintégration de la moitié de l'isotope radioactif d'origine (figure\(\PageIndex{d}\)). Par exemple, la demi-vie de l'uranium 238 est d'environ 4,5 milliards d'années. Après 4,5 milliards d'années, il ne restera que la moitié (50 %) de la quantité initiale d'uranium 238. Le reste se sera désintégré en thorium-234 (qui est également radioactif et se désintègre rapidement en une série d'isotopes radioactifs, jusqu'à ce qu'il devienne finalement du plomb-206, qui est stable ; figure\(\PageIndex{e-f}\)). Après deux demi-vies (9 milliards d'années), seule la moitié des 50 % resteraient (25 % de la durée initiale). Après trois demi-vies, il ne resterait que 12,5 % de l'uranium 238 d'origine.

Figure\(\PageIndex{d}\) : Après chaque demi-vie, 50 % d'un isotope radioactif se désintègre. Après une demi-vie, il reste 50 % (1/2 ; 0,5) d'un isotope radioactif. Après deux demi-vies, il ne reste que 25 % de l'isotope radioactif d'origine. Après trois demi-vies, elle est de 12,5 % ; quatre demi-vies = 6,25 % ; cinq demi-vies = 3,125 %. Image de Fraknoi, Morrison et Wolff/OpenStax (CC-BY). Accès gratuit sur openstax.org.

Figure\(\PageIndex{e}\) : Lorsque l'uranium 238 instable se désintègre, il émet une particule alpha (α), composée de deux protons et de deux neutrons. Cela le transforme en un nouvel élément (thorium-234). Image réalisée par OpenStax (CC-BY). Téléchargez-le gratuitement sur openstaxcollege.org.

Figure\(\PageIndex{f}\) : La chaîne de désintégration de l'uranium 238. La masse, le numéro atomique et la demi-vie de chaque isotope sont listés dans l'ordre, à droite du symbole atomique. Chaque flèche est marquée avec le type de rayonnement émis : rayonnement alpha (α), qui est composé de deux protons et de deux neutrons, ou rayonnement bêta (β), qui est un électron de haute énergie. La désintégration se poursuit à partir de l'uranium jusqu'à l'obtention d'un isotope stable (non radioactif), le plomb (Pb-206). Photo prise par Tosaka (CC-BY).

L'évolution en action : Datation au carbone

Le carbone 14 (¹⁴ C) est un radio-isotope naturel créé dans l'atmosphère par les rayons cosmiques. Il s'agit d'un processus continu, donc plus de ¹⁴ C est toujours créé. Au fur et à mesure qu'un organisme vivant se développe, le niveau relatif de ¹⁴ C dans son corps est égal à la concentration de 14 C dans l'atmosphère. Lorsqu'un organisme meurt, il n'ingère plus de ¹⁴ C, donc le ratio diminue. Le ¹⁴ C se désintègre en ¹⁴ N par un processus appelé désintégration bêta ; il dégage de l'énergie au cours de ce processus lent (figure\(\PageIndex{c}\)). Après environ 5 730 ans, seule la moitié de la concentration initiale de ¹⁴ C aura été convertie en ¹⁴ N. Le temps qu'il faut à la moitié de la concentration initiale d'un isotope pour se désintégrer et prendre sa forme la plus stable est appelé demi-vie.

Comme la demi-vie du ¹⁴° C est longue, il est utilisé pour vieillir des objets autrefois vivants, tels que des fossiles. En utilisant le rapport entre la concentration de ¹⁴ C trouvée dans un objet et la quantité de ¹⁴ C détectée dans l'atmosphère, la quantité d'isotope qui ne s'est pas encore désintégrée peut être déterminée. Sur la base de cette quantité, l'âge du fossile peut être calculé à environ 50 000 ans (figure\(\PageIndex{g}\) ci-dessous). Les isotopes ayant des demi-vies plus longues, tels que le potassium 40, sont utilisés pour calculer l'âge des fossiles plus anciens. Grâce à la datation au carbone, les scientifiques peuvent reconstituer l'écologie et la biogéographie des organismes vivant au cours des 50 000 dernières années.

Figure\(\PageIndex{g}\) : L'âge des restes contenant du carbone âgés de moins de 50 000 ans, tels que ce mammouth pygmée, peut être déterminé à l'aide de la datation au carbone. (crédit : Bill Faulkner/ NPS)

Réactions de fission nucléaire

Les réactions de fission nucléaire sont celles qui impliquent la division du noyau d'un atome (figure\(\PageIndex{h}\)). Ils peuvent être induits en projetant des éléments radioactifs avec des neutrons. Comme pour la désintégration radioactive naturelle, les réactions de fission nucléaire induites libèrent de l'énergie. L'énergie thermique dégagée lors de la fission nucléaire peut être utilisée pour produire de l'électricité. C'est la base de l'énergie nucléaire. Actuellement, l'uranium 235 (²³⁵ U ; un isotope de l'uranium d'une masse atomique de 235) est actuellement utilisé comme combustible pour les réactions de fission nucléaire (figure\(\PageIndex{h}\)).

Figure\(\PageIndex{h}\) : La fission et la fusion nucléaires sont des processus physiques qui produisent de l'énergie à partir des atomes. La fission nucléaire consiste à diviser le noyau d'un atome, mais la fusion nucléaire consiste à combiner des noyaux plus petits en un noyau plus gros. Image de Sarah Harmann/Département américain de l'Énergie (domaine public).

Figure\(\PageIndex{i}\) : La fission de l'uranium 235 (²³⁵ U) peut être induite en le bombardant avec un neutron. Cela produit de l'U-236, qui est instable et se divise en fragments de fission et en neutrons supplémentaires. De l'énergie est ainsi libérée. Les sphères rouges sont des neutrons et les sphères bleues sont des protons. Image réalisée par BC Open Textbooks (CC-BY).

Attribution

Modifié par Melissa Ha à partir de Matter from Environmental Biology par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)