Isotopes de l'hydrogène

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Le protium, l'isotope le plus commun de hydrogène, constitué d'un proton et d'un électron. Cas unique, c'est le seul isotope stable sans neutron.

L'hydrogène (H) (masse atomique standard: 1,00782504(7) u) possède trois isotopes naturels, parfois notés 1H, 2H, et 3H. Les autres, particulièrement instables, (de 4H à 7H) ont été synthétisés en laboratoire mais jamais observés dans la nature[1],[2]

L'hydrogène est le seul élément ayant des noms différents pour ses différents isotopes, encore en usage de nos jours. L'isotope 2H (ou H-2) est appelé deutérium et l'isotope 3H (ou H-3) est appelé tritium, et les symboles D et T (au lieu de 2H et 3H) sont parfois utilisés pour les désigner. L'IUPAC, si elle en reconnait l'usage, ne le recommande cependant pas. L'isotope le plus commun de l'hydrogène, sans neutron, est parfois appelé « protium ». Au cours des premières études sur la radioactivité, on donna aussi des noms aux isotopes lourds de l'hydrogène, mais ces noms ne sont plus en usage de nos jours.

Hydrogène 1 (protium)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Protium.

1H est l’isotope le plus commun de l’hydrogène, avec une abondance de 99,98 %. Comme son noyau est constitué d'un seul proton, il est parfois, et même plutôt rarement, appelé « protium ». En revanche l'ion oxonium H+ obtenu par la perte de l'unique électron de 1H, et donc formellement constitué uniquement d'un proton, est très couramment appelé « proton » et donne son nom à des réactions (protonation/déprotonation) ou des caractéristiques (solvant protique) impliquant un ion H+.

Hydrogène 2 (deutérium)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : deutérium.

2H, l'autre isotope stable de l'hydrogène, connu sous le nom de deutérium possède un noyau constitué d'un proton et d'un neutron. L'abondance atomique sur Terre du deutérium est comprise entre 0,0026 et 0,0184 %, le nombre le plus bas correspondant au nombre trouvé dans le dihydrogène gazeux, le plus élevé dans un environnement enrichi (0,015 % ou 150 ppm) comme l'eau de mer. Le deutérium n'est pas radioactif et ne représente pas un danger significatif en termes de toxicité. L'eau enrichie en molécules contenant du deutérium à la place d'atomes « normaux » d'hydrogène est appelée eau lourde. Le deutérium et ses composés sont utilisés comme marqueurs non-radioactifs dans des expériences de chimie et comme solvants pour la spectroscopie RMN du proton. L'eau lourde est elle utilisé comme modérateur de neutrons et liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Le deutérium est aussi un possible combustible dans le cadre de la fusion nucléaire.

Hydrogène 3 (tritium)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : tritium.

3H connu sous le nom de tritium possède un noyau constitué d'un proton et de deux neutrons. C'est un élément radioactif qui se désintègre en hélium 3 par désintégration β- avec un demi-vie de 12,32 ans[3]. De petites quantités de tritium sont naturellement présentes à cause de l'interaction entre les rayons cosmiques et les gaz atmosphériques. Du tritium a aussi été relâché lors d'essais d'armes nucléaires. Le tritium est utilisé dans des armes thermonucléaires, comme traceur en géologie isotopique et dans certains dispositifs d'éclairage auto-alimentés.

La méthode la plus commune pour produire du tritium consiste à bombarder un isotope naturel du lithium, le lithium 6, avec des neutrons dans un réacteur nucléaire.

Le tritium était autrefois utilisé couramment comme marqueur en chimie et en biologie (mais son usage est devenu moins courant). La fusion nucléaire D-T utilise le tritium comme réactif principal avec du deutérium, libérant de l'énergie par la perte de masse quand les deux noyaux fusionnent à très haute température.

Hydrogène 4 (quadrium)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : quadrium.

4H parfois appelé quadrium possède un noyau constitué d'un proton et de trois neutrons. C'est un isotope de l'hydrogène hautement instable qui a été synthétisé en laboratoire en bombardant du tritium avec des noyaux rapides de deutérium[4]. Dans cette expérience, le noyau de tritium capture un neutron du noyau rapide de deutérium. La présence d'hydrogène 4 a été déduite par la détection de l'émission de protons. Sa masse atomique est de 4,02781 ± 0,00011[5]. Il se désintègre par émission de neutron avec une demi-vie de (1,39 ± 0,10) × 10−22 secondes[6].

Hydrogène 4.1 (hélium muonique)[modifier | modifier le code]

L'hélium muonique a été créé en substituant un électron de l'hélium 4 par un muon, le muon orbitant plus près du noyau que l'électron. L'hélium muonique peut ainsi être vu comme un isotope de l'hydrogène dont le noyau est constitué de deux neutrons, deux protons et un muon, avec un seul électron orbitant autour du noyau. L'hydrogène 4.1 peut se lier avec d'autres atomes, et agit donc plus comme un atome d'hydrogène qu'un atome d'hélium, inerte[7].

Hydrogène 5[modifier | modifier le code]

5H est un isotope hautement instable de l'hydrogène. Son noyau est constitué d'un proton et de quatre neutrons. Il a été synthétisé en laboratoire en bombardant du tritium par des noyaux rapides de tritium[4],[8]. Dans cette expérience, un noyau de tritium capture deux neutrons d'un autre noyau et devient donc un noyau à quatre neutrons. Le proton restant peut être détecté, prouvant par déduction l’existence d'hydrogène 5. Il se désintègre par double émission de neutron et sa demi-vie est d'au moins 9,1 × 10−22 secondes[6].

Hydrogène 6[modifier | modifier le code]

6H est un isotope hautement instable de l'hydrogène. Son noyau est constitué d'un proton et de cinq neutrons. Il se désintègre par triple émission de neutron et sa demi-vie est de 2.90×10−22 secondes[6]

Hydrogène 7[modifier | modifier le code]

7H est un isotope de l'hydrogène dont le noyau est constitué d'un proton et de six neutrons. Il a été synthétisé pour la première fois en 2003 par un groupe de scientifiques russes, japonais et français au RIKEN, en bombardant de l'hydrogène avec des atomes d'hélium 8. Par cette réaction, les six neutrons de l'hélium 8 sont donnés au noyau d'hydrogène. Deux protons restant furent détectés par le « RIKEN telescope », un dispositif constitué de plusieurs couches de senseurs positionné entre la cible et le rayon RI du cyclotron[2].

Table des isotopes[modifier | modifier le code]

Symbole
de l’isotope
Z (p) N (n) masse isotopique (u) demi-vie mode(s) de
désintégration[9]
isotope(s)-fils[n 1] spin nucléaire composition isotopique
représentative
(fraction molaire)
gamme de
variations naturelles
(fraction molaire)
1H 1 0 1,00782503207(10) Stable[n 2],[n 3] 1/2+ 0,999885(70) 0,999816–0,999974
2H[n 4] 1 1 2,0141017778(4) Stable 1+ 0,000115(70)[n 5] 0,000026–0,000184
3H[n 6] 1 2 3.0160492777(25) 12,32(2) an β- 3He 1/2+ Trace[n 7]
4H 1 3 4,02781(11) 1,39(10)×10-22 s
[4,6(9) MeV]
n 3H 2
5H 1 4 5,03531(11) >9,1×10-22 s ? n 4H ( 1/2+)
6H 1 5 6,04494(28) 2,90(70)×10-22 s
[1,6(4) MeV]
3n 3H 2#
4n 2H
7H 1 6 7,05275(108)# 2,3(6)×10-27 s#
[20(5) MeV]#
1/2+#
  1. Isotopes stables en gras
  2. Plus grande que 6,6.1033 années. Voir désintégration du proton.
  3. 1H et 3He sont les seuls isotopes stables avec plus de protons que de neutrons
  4. Produit pendant la nucléosynthèse primordiale
  5. L'hydrogène en bouteille à une abondance en 2H plus basse que 3,2×10-5 (fraction molaire).
  6. Produit pendant la nucléosynthèse primordiale, mais plus primordial, car tous les atomes ainsi produits ont été désintégrés en 3He
  7. Cosmogénique

Remarques[modifier | modifier le code]

  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Y. B. Gurov et al., « Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei », Physics of Atomic Nuclei, vol. 68, no 3,‎ 2004, p. 491–497 (DOI 10.1134/1.1891200, Bibcode 2005PAN....68..491G)
  2. a et b (en) A. A. Korsheninnikov et al., « Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He », Physical Review Letters, vol. 90, no 8,‎ 2003, p. 082501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.90.082501, Bibcode 2003PhRvL..90h2501K)
  3. G. L. Miessler, D. A. Tarr, Inorganic Chemistry, Pearson Prentice Hall,‎ 2004, 3e éd.
  4. a et b (en) G. M. Ter-Akopian et al., « AIP Conference Proceedings », AIP Conference Proceedings, vol. 610,‎ 2002, p. 920 (DOI 10.1063/1.1470062)
  5. (en) « The 2003 Atomic Mass Evaluation », Atomic Mass Data Center (consulté le 2008-11-15)
  6. a, b et c (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nuclear Physics A, vol. 729,‎ 2003, p. 3–128 (DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001, Bibcode 2003NuPhA.729....3A, lire en ligne)
  7. D. G. Fleming, D. J. Arseneau, O. Sukhorukov, J. H. Brewer, S. L. Mielke, G. C. Schatz, B. C. Garrett, K. A. Peterson et D. G. Truhlar, « Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H2 », Science, vol. 331, no 6016,‎ 28 Jan 2011, p. 448–450 (PMID 21273484, DOI 10.1126/science.1199421, Bibcode 2011Sci...331..448F, lire en ligne)
  8. (en) A. A. Korsheninnikov et al., « Superheavy Hydrogen 5H », Physical Review Letters, vol. 87, no 9,‎ 2001, p. 92501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.87.092501, Bibcode 2001PhRvL..87i2501K)
  9. http://www.nucleonica.net/unc.aspx


Voir aussi[modifier | modifier le code]

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