Les isotopes sont diverses formes d’un élément qui ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.

Qu’est-ce qu’un isotope ?

Les isotopes sont différentes formes d’un élément qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Certains éléments, tels que le carbone, le potassium et l’uranium, ont de multiples isotopes naturels. Les isotopes sont définis d’abord par leur élément, puis par la somme des protons et des neutrons présents.

Le carbone 12 (ou ¹²C) contient six protons, six neutrons et six électrons; il a donc un nombre de masse de 12 uma (six protons et six neutrons).
Le carbone 14 (ou ¹⁴C) contient six protons, huit neutrons et six électrons ; sa masse atomique est de 14 uma (six protons et huit neutrons).

Si la masse des différents isotopes est différente, leurs propriétés physiques et chimiques restent pour la plupart inchangées.

Les isotopes diffèrent par leur stabilité. Le carbone 12 (¹²C) est le plus abondant des isotopes du carbone, représentant 98,89 % du carbone sur Terre. Le carbone 14 (¹⁴C) est instable et ne se trouve qu’à l’état de traces. Les isotopes instables émettent le plus souvent des particules alpha (He²⁺) et des électrons. Des neutrons, des protons et des positrons peuvent également être émis et des électrons peuvent être capturés pour atteindre une configuration atomique plus stable (niveau d’énergie potentielle plus faible) par un processus appelé désintégration radioactive. Les nouveaux atomes créés peuvent être dans un état de haute énergie et émettre des rayons gamma qui diminuent l’énergie mais qui, à eux seuls, ne transforment pas l’atome en un autre isotope. Ces atomes sont appelés isotopes radioactifs ou radio-isotopes.

Illustration des isotopes à partir de l’hydrogène

Le schéma ci-dessous illustre les trois isotopes naturels de l’hydrogène.

La datation au carbone 14

Le carbone est normalement présent dans l’atmosphère sous forme de composés gazeux comme le dioxyde de carbone et le méthane. Le carbone 14 (¹⁴C) est un radio-isotope naturel créé à partir du ¹⁴N (azote) atmosphérique par l’addition d’un neutron et la perte d’un proton, qui est causée par les rayons cosmiques. Il s’agit d’un processus continu, de sorte que plus de ¹⁴C est toujours créé dans l’atmosphère. Une fois produit, le carbone 14 se combine souvent avec l’oxygène de l’atmosphère pour former du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone ainsi produit se diffuse dans l’atmosphère, se dissout dans l’océan et est incorporé par les plantes via la photosynthèse. Les animaux mangent les plantes et, finalement, le radiocarbone est distribué dans toute la biosphère.

Chez les organismes vivants, la quantité relative de carbone 14 dans leur corps est approximativement égale à la concentration de ¹⁴C dans l’atmosphère. Lorsqu’un organisme meurt, il n’ingère plus de ¹⁴C, de sorte que le rapport entre le ¹⁴C et le ¹²C va diminuer à mesure que le ¹⁴C se dégrade pour revenir au ¹⁴N. Ce lent processus, appelé désintégration bêta, libère de l’énergie par l’émission d’électrons du noyau ou des positrons.

Après environ 5 730 ans, la moitié de la concentration initiale de carbone 14 aura été reconvertie en azote 14. C’est ce qu’on appelle sa demi-vie, ou le temps qu’il faut à la moitié de la concentration initiale d’un isotope pour se désintégrer et retrouver sa forme plus stable. Comme la demi-vie du ¹⁴C est longue, on l’utilise pour dater des objets autrefois vivants comme les vieux os ou le bois. En comparant le rapport entre la concentration de ¹⁴C trouvée dans un objet et la quantité de ¹⁴C dans l’atmosphère, on peut déterminer la quantité de l’isotope qui ne s’est pas encore désintégré. Sur la base de cette quantité, l’âge du matériau peut être calculé avec précision, pour autant que l’on pense que le matériau a moins de 50 000 ans. Cette technique est appelée datation au radiocarbone, ou datation au carbone 14.

D’autres datations que le carbone 14

D’autres éléments ont des isotopes avec des demi-vies différentes. Par exemple, le ⁴⁰K (potassium-40) a une demi-vie de 1,25 milliard d’années, et le ²³⁵U (uranium-235) a une demi-vie d’environ 700 millions d’années. Les scientifiques utilisent souvent ces autres éléments radioactifs pour dater des objets qui ont plus de 50 000 ans (la limite de la datation au carbone). Grâce à la datation radiométrique, les scientifiques peuvent étudier l’âge des fossiles ou d’autres restes d’organismes éteints.

Synthèse sur les isotopes

Les isotopes sont des atomes d’un même élément qui contiennent un nombre identique de protons, mais un nombre différent de neutrons.
Bien qu’ils aient des nombres de neutrons différents, les isotopes d’un même élément ont des propriétés physiques très similaires.
Certains isotopes sont instables et vont subir une désintégration radioactive pour devenir d’autres éléments.
La demi-vie prévisible des différents isotopes en désintégration permet aux scientifiques de dater les matériaux en fonction de leur composition isotopique, comme dans le cas de la datation au carbone 14.

Définitions

Un isotope est toute forme d’un élément où les atomes ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons dans leur noyau.
La demi-vie est le temps nécessaire à la moitié de la concentration initiale d’un isotope pour revenir à sa forme la plus stable.
Les isotopes radioactifs ont un atome au noyau instable, caractérisé par un excès d’énergie disponible qui subit une désintégration radioactive et crée le plus souvent des rayons gamma, des particules alpha ou bêta.
La datation au radiocarbone permet de déterminer l’âge d’un objet en comparant le rapport entre la concentration de carbone 14  qu’il contient et la quantité de carbone 14 dans l’atmosphère.

Le numéro atomique est le nombre de protons dans un élément, tandis que le numéro de masse est le nombre de protons plus le nombre de neutrons, ce qu’on appelle le nucléon.

Le numéro atomique

Les atomes neutres d’un élément contiennent un nombre égal de protons et d’électrons. Le nombre de protons détermine le numéro atomique (Z) d’un élément et permet de distinguer un élément d’un autre. Par exemple, le numéro atomique du carbone (Z) est 6 parce qu’il a 6 protons. Le nombre de neutrons peut varier pour produire des isotopes, qui sont des atomes d’un même élément ayant un nombre différent de neutrons. Le nombre d’électrons peut également être différent dans les atomes d’un même élément, produisant ainsi des ions (atomes chargés). Par exemple, le fer, Fe, peut exister à l’état neutre, ou dans les états ioniques +2 et +3.

Le nombre de masse

Le nombre de masse d’un élément (A) est la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons. La faible contribution de la masse des électrons n’est pas prise en compte dans le calcul du nombre de masse (voir structure d’un atome). Cette approximation de la masse peut être utilisée pour calculer facilement le nombre de neutrons d’un élément en soustrayant simplement le nombre de protons du nombre de masse. Les protons et les neutrons pèsent tous deux environ une unité de masse atomique ou uma. Les isotopes d’un même élément auront le même numéro atomique mais des nombres de masse différents.

Les scientifiques déterminent la masse atomique en calculant la moyenne des nombres de masse pour ses isotopes naturels. Souvent, le nombre qui en résulte contient une décimale. Par exemple, la masse atomique du chlore (Cl) est de 35,45 uma car le chlore est composé de plusieurs isotopes, certains (la majorité) ayant une masse atomique de 35 u (17 protons et 18 neutrons) et d’autres ayant une masse atomique de 37 uma (17 protons et 20 neutrons).

Étant donné un numéro atomique (Z) et un numéro de masse (A), vous pouvez trouver le nombre de protons, de neutrons et d’électrons dans un atome neutre. Par exemple, un atome de lithium (Z=3, A=7 amu) contient trois protons (trouvés à partir de Z), trois électrons (car le nombre de protons est égal au nombre d’électrons dans un atome), et quatre neutrons (7 – 3 = 4).

Synthèse sur le numéro atomique et le numéro de masse

Les atomes neutres de chaque élément contiennent un nombre égal de protons et d’électrons.
Le nombre de protons détermine le numéro atomique d’un élément et sert à distinguer un élément d’un autre.
Le nombre de neutrons est variable, ce qui donne des isotopes, qui sont différentes formes d’un même atome qui ne varient que par le nombre de neutrons qu’ils possèdent.
Ensemble, le nombre de protons et le nombre de neutrons déterminent le numéro de masse d’un élément.
Comme les isotopes d’un élément ont des nombres de masse légèrement différents, la masse atomique est calculée en obtenant la moyenne des nombres de masse de ses isotopes.

Définitions

Le numéro de masse est la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons dans un atome.
Le nombre atomique est le nombre de protons dans un atome.
La masse atomique est la masse moyenne d’un atome, en tenant compte de tous ses isotopes naturels.

Les atomes sont constitués de particules appelées protons, neutrons et électrons, qui sont responsables de la masse et de la charge des atomes.

Étymologiquement, le mot atome vient du grec ἄτομος qui veut dire insécable.

Qu’est-ce qu’un atome ?

Un atome est la plus petite unité de matière qui conserve toutes les propriétés chimiques d’un élément. Les atomes se combinent pour former des molécules, qui interagissent ensuite pour former des solides, des gaz ou des liquides. Par exemple, l’eau est composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène qui se sont combinés pour former des molécules d’eau. De nombreux processus biologiques sont consacrés à la décomposition des molécules en leurs atomes constitutifs afin qu’elles puissent être réassemblées en une molécule plus utile.

Les particules atomiques: la structure d’un atome

Les atomes sont constitués de trois particules de base : les protons, les électrons et les neutrons.
Le noyau (centre) de l’atome contient les protons (chargés positivement) et les neutrons (sans charge). Les régions les plus éloignées de l’atome sont appelées enveloppes électroniques et contiennent les électrons (chargés négativement) qui gravitent autour du noyau. Les atomes ont des propriétés différentes selon la disposition et le nombre de leurs particules de base.

L’atome d’hydrogène (H) ne contient qu’un proton, un électron et aucun neutron. Cela peut être déterminé à l’aide du numéro atomique et du numéro de masse de l’élément.

La masse atomique

Les protons et les neutrons ont approximativement la même masse, environ 1,67 × 10-24 grammes. Les scientifiques définissent cette quantité de masse comme une unité de masse atomique unifiée (notée u ou uma) ou un Dalton. Bien que de masse similaire, les protons sont chargés positivement, tandis que les neutrons n’ont pas de charge. Par conséquent, le nombre de neutrons dans un atome contribue de manière significative à sa masse, mais pas à sa charge.

Les électrons sont beaucoup plus petits en masse que les protons, ne pesant que 9,11 × 10-28 grammes, soit environ 1/1800 d’une unité de masse atomique unifiée. Par conséquent, ils ne contribuent pas beaucoup à la masse atomique globale d’un élément. Lorsque l’on considère la masse atomique, il est d’usage d’ignorer la masse des électrons et de calculer la masse de l’atome en se basant uniquement sur le nombre de protons et de neutrons.

Les électrons contribuent grandement à la charge de l’atome, car chaque électron a une charge négative égale à la charge positive d’un proton. Les scientifiques définissent ces charges comme « +1 » et « -1 » : dans un atome neutre non chargé, le nombre d’électrons en orbite autour du noyau est égal au nombre de protons à l’intérieur du noyau. Dans ces atomes, les charges positives et négatives s’annulent, ce qui donne un atome sans charge nette.

Les protons et les neutrons ont tous deux une masse de 1 uma et se trouvent dans le noyau. Cependant, les protons ont une charge de +1, et les neutrons ne sont pas chargés. Les électrons ont une masse d’environ 0 u, sont en orbite autour du noyau et ont une charge de -1.

Volume des atomes

Compte tenu de la taille des protons, des neutrons et des électrons, la plus grande partie du volume d’un atome – plus de 99 % – est en fait un espace vide. Malgré tout cet espace vide, les objets solides ne se contentent pas de passer les uns à travers les autres. Les électrons qui entourent tous les atomes sont chargés négativement et font que les atomes se repoussent les uns les autres, ce qui empêche les atomes d’occuper le même espace. Ces forces intermoléculaires vous empêchent de tomber à travers un objet comme votre chaise.

Synthèse sur la structure des atomes

Un atome est composé de deux régions: le noyau, qui se trouve au centre de l’atome et contient des protons et des neutrons, et la région extérieure de l’atome (enveloppe électrique), qui maintient ses électrons en orbite autour du noyau.
Les protons et les neutrons ont approximativement la même masse, environ 1,67 × 10-24 grammes, que les scientifiques définissent comme une unité de masse atomique unifiée (u) ou (uma) ou encore un Dalton.
Chaque électron a une charge négative (-1) égale à la charge positive d’un proton (+1).
Les neutrons sont des particules non chargées qui se trouvent dans le noyau.

Définitions

Atome : La plus petite quantité possible de matière qui conserve son identité d’élément chimique, constituée d’un noyau entouré d’électrons.
Proton : Particule subatomique chargée positivement, faisant partie du noyau d’un atome et déterminant le numéro atomique d’un élément. Il pèse 1 uma.
Neutron : Particule subatomique faisant partie du noyau d’un atome. Il n’a pas de charge. Sa masse est égale à celle d’un proton ou elle pèse 1 uma.