Les atomes sont les « éléments constitutifs de la matière ». Tout ce qui a une masse et occupe de l'espace (en ayant du volume) est constitué de ces minuscules petites unités. Cela vaut pour l'air que vous respirez, l'eau que vous buvez et votre corps lui-même.
Les isotopes sont un concept essentiel dans l'étude des atomes. Chimistes, physiciens et géologues les utilisent pour donner un sens à notre monde. Mais avant de pouvoir expliquer ce que sont les isotopes – ou pourquoi ils sont si importants – nous devrons prendre du recul et examiner les atomes dans leur ensemble.
Maintenant c'est amusant
Le sport et la science se croisent plus souvent qu’on ne le pense. La plus grande ville du Nouveau-Mexique a accueilli une nouvelle équipe de baseball de ligue mineure en 2003. Son nom ? Les isotopes d'Albuquerque. Faisant référence à un épisode de la saison 12 des « Simpsons », le nom inhabituel de l'équipe a eu un effet secondaire agréable :par nécessité, les employés du stade donnent régulièrement des cours de chimie aux fans curieux.
ContenuComme vous le savez probablement, les atomes ont trois composants principaux, dont deux résident dans le noyau. Situé au centre de l'atome, le noyau est un amas de particules très compacté. Certaines de ces particules sont des protons , qui ont des charges électriques positives.
Il est bien établi que des charges opposées s’attirent. Pendant ce temps, les corps chargés de la même manière ont tendance à se repousser. Voici donc une question :comment deux ou plusieurs protons – avec leurs charges positives – peuvent-ils coexister dans le même noyau ? Ne devraient-ils pas se repousser ?
C'est là qu'interviennent les neutrons. Neutrons sont des particules subatomiques qui partagent des noyaux avec des protons. Mais les neutrons ne possèdent pas de charge électrique. Fidèles à leur nom, les neutrons sont neutres, n’étant ni chargés positivement ni négativement. C'est un attribut important. Grâce à leur neutralité, les neutrons peuvent empêcher les protons de s'expulser les uns les autres hors du noyau.
En orbite autour du noyau se trouvent les électrons , particules ultralégères à charges négatives. Les électrons facilitent les liaisons chimiques et leurs mouvements peuvent produire une petite chose appelée électricité. Les protons ne sont pas moins importants. D'une part, ils aident les scientifiques à distinguer les éléments.
Vous avez peut-être remarqué que dans la plupart des versions du tableau périodique, chaque carré porte un petit numéro imprimé dans son coin supérieur droit, au-dessus du symbole de l'élément. Ce chiffre est connu sous le nom de numéro atomique. . Il indique au lecteur combien de protons se trouvent dans le noyau atomique d'un élément particulier. Par exemple, le numéro atomique de l’oxygène est huit. Chaque atome d'oxygène de l'univers possède un noyau avec exactement huit protons; ni plus, ni moins.
Sans cet agencement très spécifique de particules, l’oxygène ne serait pas de l’oxygène. Le numéro atomique de chaque élément, y compris celui de l'oxygène, est totalement unique. Deux éléments ne peuvent pas avoir le même numéro atomique. Aucun autre élément ne possède huit protons par noyau. En comptant le nombre de protons, on peut identifier un atome. Tout comme les atomes d’oxygène auront toujours huit protons, les atomes d’azote en auront invariablement sept. C'est aussi simple que cela.
Les neutrons ne suivent pas. Le noyau d’un atome d’oxygène est assuré d’héberger huit protons (comme nous l’avons établi). Cependant, il peut également contenir de quatre à 20 neutrons. Isotopes sont des variantes du même élément qui ont un nombre différent de neutrons (et donc des propriétés physiques potentiellement différentes). Ils ont cependant tendance à avoir les mêmes propriétés chimiques.
Désormais, chaque isotope est nommé sur la base de son numéro de masse , qui est le nombre total combiné de neutrons et de protons dans un atome. Par exemple, l’un des isotopes de l’oxygène les plus connus est appelé oxygène-18 (O-18). Il contient les huit protons standard plus 10 neutrons.
Ergo, le nombre de masse de l’O-18 est – vous l’aurez deviné – 18. Un isotope apparenté, l’oxygène-17 (O-17), a un neutron de moins dans le noyau. O-16 possède donc le même nombre de protons et de neutrons :huit. Parmi ce trio, l'O-16 et l'O-17 sont les isotopes les plus légers, et l'O-16 est également l'isotope le plus abondant des trois.
Certaines combinaisons sont plus fortes que d’autres. Les scientifiques classent l'O-16, l'O-17 et l'O-18 comme isotopes stables. Dans un isotope stable, les forces exercées par les protons et les neutrons se maintiennent ensemble, gardant le noyau intact en permanence.
D’un autre côté, le noyau d’un isotope radioactif, également appelé « radio-isotope », est instable et se désintègre avec le temps. Un isotope radioactif a un rapport protons/neutrons qui est fondamentalement insoutenable à long terme. Personne ne veut rester dans cette situation difficile. Par conséquent, les isotopes radioactifs élimineront certaines particules subatomiques (et libéreront de l'énergie) jusqu'à ce qu'ils se soient convertis en isotopes agréables et stables.
L’O-18 est stable, mais l’oxygène-19 (O-19) ne l’est pas. Ce dernier tombera inévitablement en panne — et vite ! Dans les 26,88 secondes suivant sa création, un échantillon d'O-19 est assuré de perdre la moitié de ses atomes à cause des ravages de la désintégration radioactive.
Cela signifie que l'O-19 a une demi-vie de 26,88 secondes. Une demi-vie est le temps nécessaire à 50 % d’un échantillon isotopique pour se désintégrer. Rappelez-vous ce concept ; nous allons le relier à la paléontologie dans la section suivante.
Mais avant de parler de science fossile, il y a un point important à souligner. Contrairement à l’oxygène, certains éléments ne possèdent aucun isotope stable. Prenons l’uranium, l’un des éléments radioactifs les plus connus. Dans le monde naturel, il existe trois isotopes de ce métal lourd, et ils sont tous radioactifs, les noyaux atomiques étant en état de désintégration constante. Finalement, un morceau d'uranium se transformera en un élément totalement différent du tableau périodique.
Ne vous embêtez pas à essayer de regarder la transition en temps réel. Le processus se déroule très, très lentement.
L'uranium 238 (U-238), l'isotope le plus courant de l'élément, a une demi-vie d'environ 4,5 milliards d'années ! Progressivement, celui-ci deviendra du plomb 206 (Pb-206), qui est stable. De même, l’uranium 235 (U-235) – avec sa demi-vie de 704 millions d’années – se transforme en plomb 207 (Pb-207), un autre isotope stable. (L'U-238 et l'U-235 sont des exemples d'isotopes naturels.)
Pour les géologues, c’est une information très utile. Disons que quelqu'un trouve une dalle de roche dont les cristaux de zircon contiennent un mélange d'U-235 et de Pb-207. Le rapport de ces deux atomes peut aider les scientifiques à déterminer l'âge de la roche.
Voici comment procéder :disons que les atomes de plomb sont largement plus nombreux que leurs homologues d'uranium. Dans ce cas, vous savez que vous regardez un joli vieux rocher. Après tout, l'uranium a eu tout le temps de commencer à se transformer en plomb. D'un autre côté, si le contraire est vrai — et que les atomes d'uranium sont plus communs — alors la roche doit être du côté le plus jeune.
La technique que nous venons de décrire s’appelle la datation radiométrique. Il s'agit d'utiliser les taux de désintégration bien documentés des isotopes instables pour estimer l'âge des échantillons de roches et des formations géologiques. Les paléontologues exploitent cette stratégie pour déterminer combien de temps s'est écoulé depuis le dépôt d'un fossile particulier. (Bien qu'il ne soit pas toujours possible de dater directement le spécimen.)
Il n’est pas nécessaire d’être un passionné de préhistoire pour apprécier les isotopes. Les médecins utilisent certaines variétés radioactives pour surveiller le flux sanguin, étudier la croissance osseuse et même lutter contre le cancer. Les radio-isotopes ont également été utilisés pour donner aux agriculteurs un aperçu de la qualité du sol.
Alors voilà. Quelque chose d'aussi apparemment abstrait que la variabilité des neutrons affecte tout, du traitement du cancer aux mystères des temps profonds. La science est géniale.
