NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Isotopes
Application à la recherche physico-chimique
Chimie et physique nucléaires
De même que le chimiste doit provoquer des réactions à partir de corps purs et séparer ensuite les produits formés, le chimiste nucléaire qui étudie une réaction nucléaire donnée doit la réaliser à partir de partenaires isotopiquement purs et identifier totalement (éléments et isotopes) les produits de réaction. En ce qui concerne la cible, on utilise soit un élément mono-isotopique (27Al, 197Au), soit un isotope séparé au préalable (109Ag, 206Pb, par exemple). Pour l'ion incident, en général, l'accélérateur de particules se conduit comme un véritable séparateur d'isotopes, l'accord de la fréquence accélératrice sélectionnant une valeur de Z/A. Ensuite, pour définir et isoler les produits de réaction, on utilise les méthodes de détection et d'analyse des isotopes stables et radioactifs décrites plus haut, alliées ou non à des séparations chimiques.
Les mêmes problèmes de pureté isotopique sont rencontrés dans les études de physique nucléaire, et en particulier en spectroscopie nucléaire. Enfin, on trouve un double exemple des applications possibles des différences de propriétés des isotopes dans la production d'énergie nucléaire par fission de l'uranium. Le seul isotope naturel fissile par neutrons lents est l'uranium 235. Sa très grande dilution (0,7 p. 100) dans l'uranium naturel, qui comporte 99,3 p. 100 d'isotope 238 capteur de neutrons lents, rend impossible l'établissement de fissions en chaîne dans le mélange naturel. On surmonte cette difficulté soit en enrichissant le mélange en 235U, soit en utilisant des ralentisseurs de neutrons qui les thermalisent avant qu'ils n'aient eu le temps d'être captés par réaction (n, γ) sur 238U. Les ralentisseurs utilisés sont le carbone, le béryllium et l'eau lourde, le deutérium ayant sur l'hydrogène l'avantage d'une probabilité mille fois plus faible de capter les neutrons, pour un ralentissement identique.
Traceurs et molécules marquées en chimie
Le principe de l'utilisation des traceurs radioactifs est l'identité chimique des isotopes. Pour suivre l'évolution d'un élément donné au cours d'une ou de plusieurs réactions chimiques, on ajoute un isotope radioactif de cet élément au mélange initial. La mesure du rayonnement émis par le noyau est utilisée comme méthode de dosage, méthode qui a l'intérêt d'être très rapide, quelle que soit la forme chimique de l'élément. On peut ainsi mesurer les vitesses de réaction et le rendement des séparations chimiques.
La possibilité de disposer de matière en quantités infimes, facilement dosables, permet d'utiliser aussi les isotopes radioactifs pour des études de réaction à très faible concentration et pour des études de diffusion.
Enfin, une application légèrement différente est le « marquage » d'une molécule ou d'un groupement d'atomes (radical) par un isotope radioactif. Par exemple, l'introduction d'un atome de 14C en position connue dans une molécule organique permet de distinguer cet atome des autres et de suivre son sort au cours de la réaction chimique à étudier. Cette technique est très utilisée pour les études de structure et de mécanisme de réaction.
Les différences de propriétés chimiques des isotopes sont autant de limitations à l'utilisation des traceurs. Un cas typique est celui du tritium (31H ou T) souvent utilisé imprudemment comme traceur de l'hydrogène. La différence d'un facteur 3 dans les masses implique des effets isotopiques importants dont il faut tenir compte lors de l'interprétation des résultats. En outre, il est nécessaire d'introduire le traceur sous une forme chimique telle que la totalité du produit ajouté prenne part à la réaction. Il faut éviter en particulier[...]
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Écrit par
- René BIMBOT : agrégé de sciences physiques, docteur ès sciences, maître de recherche au C.N.R.S.
- René LÉTOLLE : professeur à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
Classification
Média
Variations isotopiques du carbone 13, de l'oxygène 18 et du souffre 34
Encyclopædia Universalis France
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