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Passer à la première page h Guy Collin, 2012-06-299 LES ISOTOPES Physique nucléaire Chapitre 14.

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1 Passer à la première page h Guy Collin, 2012-06-299 LES ISOTOPES Physique nucléaire Chapitre 14

2 h LES ISOTOPES n Puisquun noyau portant un nombre précis de protons peut avoir un nombre variable de neutrons (les isotopes), quelles sont les propriétés de ces isotopes ? n Comment les observe-t-on ? n Quelles sont les règles, les lois ou les forces qui déterminent le nombre disotopes ? n Existent-ils en égales proportions ? n Comment peut-on les séparer ? n Quels en sont les principaux usages ou les principales applications ?

3 h Spectrographe de BAINBRIDGE B + E Sélecteur de vitesse Vide Plaque détectrice Source dions Fentes accélératrices

4 h Spectrographe dASTON Plaque détectrice Champ magnétique B Fentes Champ électrique + R

5 h Les travaux de PROUST (1815) n PROUST nota que les poids atomiques avaient une préférence marquée pour les valeurs entières. n Il émit lhypothèse que les atomes de tous les éléments sont construits avec la même particule fondamentale, probablement lhydrogène, le plus léger de tous les atomes. n À mesure que les masses atomiques furent connues de façon plus précise cette hypothèse devint insoutenable puisque les valeurs entières sont des exceptions.

6 h Les travaux dASTON n Les valeurs des différentes masses des atomes sont comparées à celle de lisotope 12 de latome de carbone. n La précision des mesures dASTON était de 1 pour 1 000. Il découvrit que le néon, de poids atomique chimique 20,20, mesuré par des méthodes chimiques moins subtiles, était en fait composé de trois isotopes de poids atomiques 20,00, 21,00 et 22,00.

7 h La règle du nombre entier n Tout élément dont le poids atomique chimique diffère dun nombre entier, résulte dun mélange disotopes, chacun deux ayant un poids atomique mesuré par un nombre entier. n Lexpérience et les conclusions dASTON donnèrent une vie nouvelle à lhypothèse de PROUST.

8 h Le choix de la référence n Proposition des chimistes : 16 pour loxygène naturel. n Proposition des physiciens : 16 pour lisotope le plus important de loxygène. n Le compromis : 12 pour lisotope le plus important du carbone ( IUPAC, Montréal 1961).

9 h Échelles comparées des références pour les masses atomiques

10 h Quelques isotopes Zn 78 80 82 84 86 0 60 50 20 10 3 2 1 Z Kr % 64687066 40 30 20 5 0 % Z

11 h Les isotopes stables du mercure

12 h Abondance des isotopes n Labondance relative est une constante rigoureusement suivie par la nature. n Les analyses de météorites montrent que cette constance est universelle. n Il y a cependant quelques exceptions à cette loi : u Le rapport D/H ( 2 H/ 1 H ) de leau varie entre les eaux de surface des océans et le fond des fosses océaniques. u Dans les synthèses biologiques, il apparaît de fines différences dans les rapports isotopiques. u Les minerais de plomb provenant de lieux différents présentent des abondances isotopiques différentes (sources radioactives).

13 h Rapports isotopiques du plomb dans différents minerais situés en Méditerranée centrale Chypre Essimi Lavrion Thasos Kythnos 2,095 2,115 208 Pb/ 206 Pb 2,075 2,055 207 Pb/ 206 Pb 0,820,850,88 Timna (Sinaï) Othrys Toscane Ergani (Anatolie) Ce type danalyses est fort important dans les recherches archéologiques. 2,095 2,115 208 Pb/ 206 Pb 2,075 2,055 207 Pb/ 206 Pb 0,820,850,88

14 h Le cas du rapport isotopique 13 C/ 12 C n La valeur du rapport 13 C/ 12 C renseigne sur les différents processus biochimiques et physiologiques que génère la photosynthèse des plantes. n Si le mécanisme de fixation du CO 2 est le même pour toutes les plantes (voir chapitre suivant), celui de son extraction de latmosphère se déroule selon trois processus : u Le cycle de Calvin (C 3 ), (dans les fruits : raisin, pomme, citron) ; u Le cycle Hatch Slack (C 4 ), (canne à sucre, maïs) ; u Le cycle CAM (cactus, ananas).

15 h La mesure du rapport 13 C/ 12 C n Lutilisation du % de 13 C nest pas aisée. On lui a préféré une échelle relative à un échantillon de carbone, un minerai de carbonate de calcium (Belemnite) extrait de Pee Dee en Caroline du sud (doù le nom de référence R PDB ). n R PDB = 0,0112372 ± 0,000009, ce qui est équivalent à une abondance de 1,1112328 en 13 C. n Léchelle ainsi constituée est plus simple de lecture et de manipulation.

16 h Exemples de déviations naturelles de 13 C Méthane atmosphérique PDB CO 2 atm. 1,05631,11121,08931,0673 Pourcentage de 13 Catomique -50-40-30-20-100 13 C relativement à celui PDB () Carbone fossileCarbonates terrestres Pétrole de sources marines Sucre de canne Sucre de betteraves Cycle de CAM CO 2 Respiration humaine EuropeÉtats-Unis

17 h n La technique peut être étendue aux autres éléments que sont O, N, H. n Pour lhydrogène et loxygène, la référence est celle de leau de mer SMOW (Standard Mean Ocean Water). n Dans le cas de lazote et de ses oxydes, il est passé sur un fil de cuivre chauffé à 600 ºC. Tous ces oxydes sont transformés en azote. La mesure dautres isotopes

18 h Exemple dapplication Cas de la vanilline n La vanilline peut être naturelle. n Elle peut être synthétisée à partir de la lignine, de leugénol, du guaïacol (adultération aisée). Vanilline de vanille (Madagascar) : 13 C PDB = 21,4 Vanilline de lignine (synthétique) : 13 C PDB = 27,3 CHO HO CH 3 O

19 h Exemple d'application Cas de la vanilline (suite) n La distribution des atomes de deutérium dans la molécule naturelle est non homogène. n La résonance magnétique du proton permet de localiser ces atomes de deutérium et de mesurer la déviation isotopique de parties de la molécule. n Les adultérations deviennent plus difficiles … CHO HO CH 3 O 130,8 157,3 196,4 126,6 157,3 Abondances isotopiques mesurées par RMN- 2 H exprimées en ppm

20 h Spectres atomiques des isotopes n La constante de RYDBERG dépend de la masse du noyau. n Les spectres de 1 H et 2 H sont légèrement différents. Ce sont dailleurs les satellites observés au voisinage des raies de la série de BALMER qui ont amené la découverte du deutérium :

21 h Séparations des isotopes n La spectrographie de masse : La première bombe atomique a cependant été fabriquée à partir duranium 235 séparé par cette méthode. n La distillation fractionnée : UREY obtint pour la première fois du deutérium par distillation de lhydrogène liquide. n La diffusion thermique. n Lélectrolyse : base de la fabrication industrielle de leau lourde et du deutérium.

22 h Électrolyse de leau

23 h Séparations des isotopes n Diffusion à travers une paroi poreuse : u La vitesse de diffusion dun gaz à travers une paroi poreuse est donnée par la loi de GRAHAM : u À léchelle moléculaire, on parle deffusion. u Cette méthode est actuellement la plus utilisée pour la séparation de luranium 235 à létat dhexafluorure UF 6. n Photochimie infrarouge : u La méthode est basée sur la différence des spectres infrarouges des espèces isotopiques.

24 h Séparation de luranium 235 UF 6 appauvri recyclé n fois UF 6 enrichi Pression vide UF 6 appauvri UF 6 enrichi UF 6 appauvri recyclé provenant de létage suivant...

25 h Préparation photochimique de leau lourde Laser à CO 2 Séparateur isotopique Échangeur isotopique Eau naturelle CF 3 H CF 3 H + CF 3 D Séparateur chimique CF 3 H + HD DF HDO Spectre IR du CF 3 H + CF 3 D

26 h Conclusion n La spectrométrie de masse est loutil idéal pour observer et mesurer certaines caractéristiques des isotopes. n Chaque élément comporte un nombre connu disotopes en proportions très variables dun élément à un autre.

27 h Conclusion n Certains ont des propriétés particulièrement intéressantes qui justifie des séparations industrielles quantitativement importantes comme cela est le cas pour lindustrie nucléaire (deutérium et uranium). n Dautres servent de références analytiques en chimie alimentaire, en médecine,...


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