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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, 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 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 Z Kr % % 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, Pb/ 206 Pb 2,075 2, 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, Pb/ 206 Pb 2,075 2, 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, ± 0,000009, ce qui est équivalent à une abondance de 1, 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 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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