Un isotope est une variante sur un élément qui a un poids atomique différent des autres variantes. Sauf pour la forme la plus fréquente de l'hydrogène - qui ne dispose que d'un proton - chaque atomique noyau en la matière normale est composé de deux protons et de neutrons. Les isotopes d'un même élément possèdent le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Ils ont essentiellement les mêmes propriétés chimiques, mais diffèrent légèrement dans leurs caractéristiques physiques, telles que le point de fusion et point d'ébullition. Certains isotopes sont instables et ont tendance à se désintégrer en d'autres éléments, dégageant des particules subatomiques ou de radiations, ce sont radioactifs et sont connus comme des radio-isotopes.
Quand les scientifiques se réfèrent à un isotope d'un élément particulier, le nombre de masse, ou le nombre de protons et le nombre de neutrons, apparaît en haut à gauche, à côté du symbole de l'élément. Par exemple, sous forme d'hydrogène qui a un proton et un neutron s'écrit 2 H. De même, 235 U et 238 U sont deux isotopes différents d' uranium .Ceux-ci sont aussi communément écrits comme l'uranium 235 et l'uranium-238.
Le noyau atomique
Les neutrons sont électriquement neutres, mais protons ont une charge électrique positive.Depuis charges identiques se repoussent, un noyau contenant plus d'un proton besoin de quelque chose pour empêcher ces particules de voler en morceaux. Ce quelque chose s'appelle la force nucléaire forte, parfois appelé tout simplement la force forte. Il est beaucoup plus forte que la force électromagnétique qui est responsable de la répulsion entre les protons, mais contrairement à cette force, il a une très courte portée. La force forte lie les protons et les neutrons ensemble dans le noyau, mais la force électromagnétique veut pousser les protons à part.
Stables et instables Nuclei
Dans les éléments plus légers, la force forte est capable de tenir le noyau ensemble aussi longtemps qu'il y a assez de neutrons pour diluer la force électromagnétique. Typiquement, dans ces éléments, le nombre de protons et de neutrons sont sensiblement les mêmes.Dans les éléments plus lourds, il doit y avoir un excès de neutrons pour assurer la stabilité.Au-delà d'un certain point, cependant, il n'y a pas de configuration qui fournit un noyau stable. Aucun des éléments plus lourds que le plomb encore isotopes stables.
Trop de neutrons peuvent aussi faire un isotope instable. Par exemple, la forme la plus fréquente de l'hydrogène est un proton et aucun neutron, mais il y a deux autres formes, avec un et deux neutrons, appelés deutérium et le tritium , respectivement. Le tritium est instable parce qu'il a trop de neutrons.
Lorsqu'un instable ou radioactif, se désintègre noyau, il se transforme en un noyau d'un autre élément. Il existe deux mécanismes par lesquels cela peut se produire. La désintégration alpha se produit lorsque la force forte ne peut pas contenir tous les protons dans un noyau ensemble. Au lieu de simplement jeter un proton, cependant, une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons est éjecté. Les protons et les neutrons sont étroitement liés entre eux et la particule alpha est une configuration stable.
La désintégration bêta survient lorsque le noyau a trop de neutrons. Un des neutrons se transforme en un proton, qui reste dans le noyau, et un électron , qui est éjecté. Dans le tritium, par exemple, l'un de ses deux neutrons seront, tôt ou tard, se transformer en un proton et un électron. Cela donne un noyau avec deux protons et un neutron, ce qui est une forme d' hélium , connu comme 3 He ou de l'hélium-3. Cet isotope est stable, malgré l'excès de protons, parce que le noyau est suffisamment petit pour la force forte à tenir le coup.
Les demi-vies
Il y a une incertitude fondamentale sur le temps qu'il faudra pour un noyau instable individuel à la pourriture, mais pour un isotope donné, le taux de décroissance est prévisible. Il est possible de donner une valeur très précise de la quantité de temps qu'il faudra pour que la moitié d'un échantillon d'un isotope particulier de se désintégrer en un autre élément. Cette valeur est connue comme la demi-vie et peut varier d'une infime fraction de seconde à des milliards d'années. La forme la plus commune du bismuth d'élément a une demi-vie d'un milliard de fois plus longue que l'âge estimé de l'univers. Il était une fois pensé pour être l'élément le plus lourd stable, mais il a été prouvé être très légèrement radioactifs en 2003.
Propriétés
Outre la question de la radioactivité, les différents isotopes d'un élément montrent des propriétés physiques différentes. Formes plus lourdes, avec plus de neutrons, ont généralement fusion plus élevé et le point d'ébullition, en raison du fait que plus d'énergie est nécessaire pour faire leurs atomes et les molécules se déplacent assez rapidement pour provoquer un changement d'état. Par exemple, «l'eau lourde», une forme d'eau dans laquelle normale à hydrogène est remplacé par le deutérium lourd, gèle à 38,9 ° C (3,82 ° C) et bout à 214,5 ° F (101,4 ° C), par opposition à 32 ° F (0 ° C) et 212 ° F (100 ° C), respectivement, pour l'eau ordinaire. Les réactions chimiques peuvent se dérouler un peu plus lentement pour les isotopes plus lourds pour la même raison.
Utilise
Probablement le plus célèbre est isotope 235 U, en raison de son utilisation de l'énergie nucléaire et l'armement. Son instabilité est telle qu'elle peut subir une réaction nucléaire en chaîne, libérant d'énormes quantités d'énergie. Uranium «enrichi» est l'uranium avec une plus forte concentration de cet isotope, alors que l'uranium "appauvri" a une concentration beaucoup plus faible.
La datation radiométrique utilise les proportions des différents isotopes d'estimer l'âge des échantillons, tels que les matières biologiques ou des rochers. La datation au radiocarbone, par exemple, utilise l'isotope radioactif 14 C, ou carbone -14, à ce jour, les matériaux contenant du carbone d'origine organique. L'âge et l'histoire géologique de la Terre sont connus largement en comparant les proportions des différents isotopes dans les échantillons de roche.
En biologie et de la médecine, de petites quantités d'isotopes radioactifs peuvent légèrement être utilisés comme marqueurs atomiques de retracer le mouvement de diverses substances, telles que les médicaments, à travers le corps. Plus fortement isotopes radioactifs peuvent être utilisés comme source de rayonnement pour détruire les tumeurs et les tumeurs cancéreuses. L'hélium-3, la pensée d'exister en grande quantité sur la lune, est l'un des carburants à long terme les plus prometteuses pour les réacteurs de fusion. Son utilisation sera effectivement exiger premiers maîtrise d'autres formes de fusion, cependant.
