Les isotopes sont des éléments identiques ayant un nombre de masse différent. Lena Niehues, responsable produits Gaz spéciaux, explique ce que cela signifie exactement et à quoi servent les isotopes (et les compositions isotopiques).
Qu'est-ce qu'un isotope ?
La matière qui nous entoure se compose de près de 100 éléments différents. Le nombre de protons (particules chargées positivement) et de neutrons (particules non chargées) dans le noyau atomique détermine l'élément auquel un atome appartient. Le nombre de protons détermine le numéro atomique de l'élément dans le tableau périodique, le nombre de neutrons détermine le nombre de masse.
On parle d'isotopes lorsque deux atomes ont le même nombre de protons, et qu'ils appartiennent donc au même élément, mais ont un nombre différent de neutrons, donc un nombre de masse différent. En termes très simples : Deux isotopes d'un même élément sont comme des jumeaux, dont l'un est un peu en surpoids.
Par exemple : Un atome de l'élément carbone a toujours six protons dans son noyau (sinon ce ne serait pas du carbone). Cependant, il peut également contenir sept ou huit neutrons au lieu de six. On parle alors d'isotopes du carbone. Pour identifier clairement les différents isotopes d'un élément, on ajoute le nombre de masse en haut à gauche du symbole de l'élément. Par exemple, 12CO2 est un dioxyde de carbone doté de six neutrons dans le noyau atomique du carbone.
Que sont des isotopes stables et instables ?
En science, on distingue les isotopes stables et les isotopes instables.
Les isotopes stables ne changent pas et conservent leur forme - ils sont donc stables. Presque chaque élément naturel possède au moins un isotope stable. Le carbone possède deux isotopes stables : 12C et 13C. Cependant, dans la nature, on ne trouve presque que l'isotope avec le nombre de masse 12.
Les noyaux atomiques instables se subdivisent spontanément en d'autres noyaux atomiques - ils sont donc instables. Ce faisant, ils émettent des rayonnements ionisants, c'est-à-dire radioactifs. Il n'existe que quelques éléments dont les noyaux atomiques sont exclusivement instables - donc radioactifs - (par exemple le plutonium ou l'uranium). Le carbone possède également des isotopes instables : 14C avec une demi-vie de 5 730 ans et 15C avec une demi-vie de 2,45 secondes. Cependant, l'isotope 15C n'existe pas dans la nature, il ne peut être produit qu'artificiellement.
À quoi servent les isotopes ?
Les isotopes sont utilisés pour différencier deux atomes de même nature. Cela fonctionne en remplaçant un atome par un de ses isotopes. Lors de l'analyse, la molécule « marquée » peut alors être détectée dans les produits et les substances. De nombreuses méthodes de diagnostic ou d'analyse ne peuvent être mises en œuvre que grâce à l'utilisation de différents isotopes.
Exemple pratique : Utilisation d'isotopes en archéologie
Les isotopes permettent entre autres de déterminer la période de formation de découvertes archéologiques, paléontologiques et géologiques. Le procédé s'appelle datation au carbone 14 ou méthode de datation par le radiocarbone. Il repose sur le fait que, dans les organismes morts, la quantité de 14C radioactif lié (selon la loi de désintégration) baisse. Les organismes vivants ne sont pas affectés par cet effet, car ils absorbent constamment du nouveau carbone de l'environnement, qui maintient la proportion normale d'isotopes 14C pratiquement constante. Après 5 730 ans (demi-vie), il ne reste plus que la moitié de 14C, tandis que la proportion de 12C reste inchangée. Le rapport entre 12C et 14C permet alors de déterminer l'âge de la découverte. Toutefois, la découverte ne doit pas avoir plus de 50 000 ans - dans ce cas, la quantité de 14C est trop faible pour pouvoir encore être déterminée de manière fiable.
Exemple pratique : Utilisation d'isotopes dans le diagnostic du cancer de l'estomac
L'agent infectieux bactérien Helicobacter pylori est considéré comme un marqueur du cancer de l'estomac. Autrefois, pour le détecter, il fallait procéder à une gastroscopie, voire à une intervention chirurgicale coûteuse. Grâce à l'utilisation de certaines compositions isotopiques, le diagnostic peut désormais être posé simplement via le souffle du patient : L'agent pathogène transforme le carbone contenu dans l'urée en dioxyde de carbone. Le métabolisme transforme un isotope 13C en 13CO2 stable, qui est éliminé par la respiration. Des mélanges spéciaux de 12CO2 et de 13CO2 servent de gaz zéro et de référence pour le procédé de spectroscopie de masse utilisé pour le diagnostic.
Autres applications possibles des isotopes
Par ailleurs, l'utilisation d'isotopes permet de tirer des conclusions sur les aliments - par exemple sur leur origine géographique, sur les additifs non déclarés et sur le respect des dispositions légales. Ce procédé a même déjà fait son apparition dans le podcast « Zeit Verbrechen », à écouter dans l'épisode « Die Tote im Eistal ».