Isotope
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Les isotopes sont l'une des différentes formes d'un élément de masse atomique chacun ayant différentes ( nombre de masse). Les isotopes d'un élément ont des noyaux ayant le même nombre de protons (le même nombre d'atomes ), mais un nombre différent de neutrons . Par conséquent, les isotopes ont différentes nombres de masse, qui donnent le nombre total de nucléons-le nombre de protons et de neutrons.
Un nucléide est toute noyau atomique notamment avec un numéro atomique Z spécifique et nombre de masse A; il est de façon équivalente un noyau atomique avec un certain nombre de protons et de neutrons. Collectivement, tous les isotopes de tous les éléments forment l'ensemble des nucléides. La distinction entre les termes isotopes et nucléide a un peu floue, et ils sont souvent utilisés indifféremment isotopes est utilisé au mieux en se référant à plusieurs nucléides différents d'un même élément;. Nucléide est plus générique et est utilisé lors du référencement un seul noyau ou plusieurs noyaux de différents éléments. Par exemple, il est plus exact de dire que un élément tel que le fluor se compose d'un nucléide stable plutôt que qu'il a un isotope stable.
Dans la nomenclature IUPAC , isotopes et les nucléides sont spécifiés par le nom de l'élément particulier, donnant implicitement le numéro atomique, suivi d'un trait d'union et le nombre de masse (par exemple, hélium-3, carbone 12, carbone-13, l'iode-131 et l'uranium-238). Dans une forme symbolique, le nombre de nucléons est notée comme un en exposant au préfixe symbole chimique (par exemple 3 He, 12 C, 13 C, 131 I et 238 U).
Environ 339 nucléides présents naturellement sur Terre, dont environ 79% sont stables. Compter les nucléides radioactifs ne trouve pas dans la nature qui ont été créées artificiellement, plus de 3100 nucléides sont actuellement connus.
Histoire du terme
L'isotope de terme a été inventé en 1913 par Margaret Todd, un médecin écossais, au cours d'une conversation avec Frederick Soddy (à qui elle a été de loin lié par le mariage). Soddy, chimiste à l'Université de Glasgow, a expliqué qu'il ressort de ses investigations comme si plusieurs éléments occupées chaque position dans le tableau périodique . Ainsi Todd a suggéré le terme grec pour «au même endroit», comme un nom approprié. Soddy a adopté le terme et a remporté le prix Nobel de chimie en 1921 pour ses travaux sur les substances radioactives.
En 1913, dans le cadre de son exploration dans la composition de rayons canaux, JJ Thomson canalisées un flux de néon ionisé par un champ magnétique et un champ électrique et mesurées sa déflexion en plaçant une plaque photographique sur son passage. Thomson a observé deux taches de lumière sur la plaque photographique (voir l'image à droite), qui a suggéré deux paraboles différentes de déviation. Thomson a conclu que certains des atomes dans le gaz étaient de masse plus élevée que le reste.
Variation des propriétés entre isotopes
Les propriétés chimiques et atomiques
Un atome neutre a le même nombre d'électrons que des protons. Ainsi, différents isotopes d'un élément donné ont toutes le même nombre de protons et d'électrons et la même structure électronique, et parce que le comportement chimique d'un atome est largement déterminée par sa structure électronique, les différents isotopes ont un comportement chimique presque identique. La principale exception à cette règle est le effet isotopique cinétique: en raison de leurs grandes masses, des isotopes plus lourds ont tendance à réagir un peu plus lentement que isotopes les plus légers du même élément. Ce est le plus prononcé pour protium (1 H) vis-à-vis deutérium (2 H), parce que le deutérium a deux fois la masse de protium. L'effet de masse entre le deutérium et le protium relativement léger affecte également le comportement de leurs liaisons chimiques respectives, par des moyens de changer le centre de gravité ( masse réduite) des systèmes atomiques. Toutefois, pour les éléments plus lourds, la masse absolue de noyau par rapport à électrons si beaucoup plus, et la différence de masse entre les isotopes rapport est beaucoup moins, et donc les effets de masse différence sur la chimie sont généralement négligeable.
De même, deux molécules qui ne diffèrent que par la nature de leurs atomes isotopique ( isotopologues) aura la structure électronique identiques et propriétés physiques et chimiques donc presque indiscernables (nouveau avec le deutérium fournissant la principale exception à cette règle). Les modes de vibration d'une molécule sont déterminées par la forme et par les masses de ses atomes constitutifs. Par conséquent, les isotopologues auront différents ensembles de modes de vibration. Comme modes de vibration permettent une molécule d'absorber des photons d'énergies correspondant, isotopologues ont des propriétés optiques dans le domaine de l'infrarouge.
Propriétés et la stabilité nucléaires
Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons liés ensemble par le force nucléaire forte. Parce que les protons sont chargés positivement, ils se repoussent mutuellement. Les neutrons, qui sont électriquement neutres, permettent une certaine séparation entre les protons chargés positivement, ce qui réduit la répulsion électrostatique. Neutrons stabilisent le noyau à courte portée parce qu'ils se attirent mutuellement et protons à parts égales par la force nucléaire forte, et cette force supplémentaire de liaison compense aussi la répulsion électrique entre protons. Pour cette raison, une ou davantage de neutrons sont nécessaires pour deux ou plusieurs protons à être liés en un noyau. Comme le nombre de protons augmente, l'augmentation du ratio de neutrons sont nécessaires pour former un noyau stable (voir le graphique à droite). Par exemple, bien que le neutron: rapport de proton de 3 Il est de 1: 2, le neutron: rapport de protons de 238 U est supérieur à 3: 2. En règle générale, il est, pour chaque numéro atomique (chaque élément), seule une poignée d'isotopes stables, la moyenne étant de 3,4 isotopes stables par élément qui a des isotopes stables. Seize éléments ne ont qu'un seul isotope stable, tandis que le plus grand nombre d'isotopes stables observés pour tout élément , est de dix.
Bien isotopes présentent un comportement électronique et chimique presque identique, leur comportement nucléaire varie considérablement. Ajout de neutrons aux isotopes peuvent varier leurs spins nucléaires et les formes nucléaires, provoquant des différences dans capture de neutrons sections et spectroscopie gamma et propriétés de résonance magnétique nucléaire.
Si trop ou trop peu de neutrons sont présents en ce qui concerne le rapport optimal, le noyau devient instable et soumis à certains types de désintégration nucléaire. Isotopes instables avec un nombre non-optimale des neutrons se désintègrent en désintégration alpha, désintégration bêta, ou d'autres moyens exotiques, tels que fission spontanée et carie cluster.
Présence dans la nature
Les éléments sont constitués d'une ou des isotopes, qui sont normalement plus stable d'origine naturelle. Certains éléments ont instables isotopes (radioactifs), soit parce que leur décomposition est si lent qu'une fraction reste car ils ont été créés (exemples: uranium, potassium), ou parce qu'ils sont continuellement créé par le rayonnement cosmique (tritium, carbone-14) ou par la désintégration d'un isotope dans la première catégorie (le radium, le radon).
Seuls les 80 éléments ont isotopes stables, et 16 d'entre eux ont un seul isotope stable. La plupart des éléments sont présents naturellement sur Terre dans plusieurs isotopes stables, avec le plus grand nombre d'isotopes stables d'un élément étant dix, pour l'étain (élément numéro 50). Il ya environ 94 éléments trouvés naturellement sur Terre (jusqu'à plutonium, élément 94, inclusivement), même si certains sont détectés seulement dans très petites quantités, tels que plutonium-244. Lindsay estime que les éléments qui se trouvent naturellement sur la Terre (une partie seulement comme des radio-isotopes) se produisent en tant que isotopes (339 nucléides) au total. Seulement 269 de ces isotopes naturels sont stables, et les 70 autres sont radioactifs, mais se produisent sur Terre en raison de leurs demi-vies relativement longues, ou d'autres moyens de production naturelle. Supplémentaires ~ 2700 isotopes radioactifs ne trouve pas dans la nature ont été créés dans les réacteurs nucléaires et les accélérateurs de particules. De nombreux isotopes de courte durée se trouvent pas naturellement sur Terre ont également été observés par analyse spectroscopique, étant naturellement créés dans les étoiles ou supernovae. Un exemple est aluminium-26, qui ne est pas naturellement présente sur Terre, mais qui se trouve en abondance sur une échelle astronomique.
Les masses atomiques figurant au tableau sont des moyennes des éléments qui tiennent compte de la présence de plusieurs isotopes ayant des masses différentes. Un bon exemple est le chlore , ayant la composition 35 Cl, 75,8%, et de 37 Cl, 24,2%, donnant une masse atomique de 35,5. Les valeurs de ce genre confondus scientifiques avant la découverte des isotopes, comme la plupart des éléments de lumière masses atomiques sont proches à des multiples entiers de l'hydrogène.
Selon généralement reconnus cosmologie seuls les isotopes de l'hydrogène et de l'hélium et des traces de certains isotopes du lithium, le béryllium et le bore ont été créés au Big Bang, alors que tous les autres ont été synthétisés dans les étoiles et les supernovae. (Voir nucléosynthèse.) leurs abondances respectives sur le résultat de la Terre à partir des quantités formées par ces processus, leur propagation à travers la galaxie, et leur taux de décroissance. Après la coalescence initiale du système solaire, les isotopes ont été redistribuées en fonction de la masse et la composition isotopique des éléments varie légèrement de planète en planète. Cela rend parfois possible de retracer l'origine des météorites.
La masse moléculaire des isotopes
La masse moléculaire (M r) d'un élément est déterminée par ses nucléons. Par exemple, le carbone-12 (12 C) dispose de 6 protons et 6 neutrons . Lorsqu'un échantillon contient deux isotopes de l'équation ci-dessous est appliqué, où M r (1) r et M (2) sont les masses moléculaires de chaque isotope particulier, et l'abondance% est le pourcentage d'abondance de cet isotope dans l'échantillon.
Applications d'isotopes
Plusieurs applications existent qui capitalisent sur les propriétés des différents isotopes d'un élément donné.
Utilisation des propriétés chimiques et biologiques
- analyse isotopique est la détermination de signature isotopique, les abondances relatives des isotopes d'un élément donné dans un échantillon particulier. Pour substances biogéniques en particulier, des variations importantes d'isotopes de C, N et O peuvent se produire. L'analyse de ces variations a une large gamme d'applications telles que la détection de l'altération des produits alimentaires. L'identification des certaines météorites comme ayant son origine sur Mars est basé en partie sur la signature isotopique de traces de gaz qu'ils contiennent.
- Une autre application est commune marquage isotopique, l'utilisation d'isotopes inhabituels comme traceurs ou marqueurs dans des réactions chimiques. Normalement, les atomes d'un élément donné sont indiscernables les uns des autres. Toutefois, en utilisant des isotopes de masses différentes, ils peuvent être distingués par spectrométrie de masse ou spectroscopie infrarouge (voir "Propriétés"). Par exemple, dans «marquage isotopique stable avec des acides aminés dans une culture cellulaire ( SILAC) 'isotopes stables sont utilisées pour quantifier les protéines . Si des isotopes radioactifs sont utilisés, ils peuvent être détectés par le rayonnement qu'elles émettent (ce est ce qu'on appelle l'étiquetage radioisotopique).
- Une technique similaire à l'étiquetage radio-isotopique est datation radiométrique: utilisant le connu demi-vie d'un élément instable, on peut calculer la quantité de temps qui se est écoulé depuis un niveau connu d'isotope existait. L'exemple le plus connu est datation au radiocarbone utilisé pour déterminer l'âge des matériaux carbonés.
- Substitution isotopique peut être utilisée pour déterminer le mécanisme d'une réaction par l'intermédiaire du effet cinétique isotopique.
Utilisation des propriétés nucléaires
- Plusieurs formes de spectroscopie se appuient sur les propriétés nucléaires uniques d'isotopes spécifiques. Par exemple, résonance magnétique (RMN) nucléaire peut être utilisée que pour les isotopes avec un spin nucléaire non nul. Les isotopes les plus couramment utilisés par spectroscopie RMN 1 H sont, 2 D, 15 N, 13 C et 31 P.
- Spectroscopie Mössbauer se appuie également sur les transitions nucléaires des isotopes spécifiques, tels que 57 Fe.
- Radionucléides ont aussi des utilisations importantes. L'énergie nucléaire et les armes nucléaires développement nécessitent des quantités relativement importantes d'isotopes spécifiques. Le processus de la séparation isotopique représente un défi technologique significatif, mais davantage d'éléments lourds comme l'uranium ou du plutonium, que des éléments plus légers tels que l'hydrogène, le lithium, le carbone, l'azote et l'oxygène. Les éléments légers sont généralement séparés par diffusion gazeuse de leurs composés tels que CO et NO. isotopes de l'uranium ont été séparés en vrac par diffusion gazeuse, la centrifugation de gaz, la séparation d'ionisation au laser, et (dans le Projet Manhattan) par un type de production spectroscopie de masse .
