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Isotopes de l'hydrogène

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

On connaît septisotopesde l'hydrogène.Trois sontnaturels,1H,2H et3H. Les quatre autres,4H,5H,6H et7H, sont particulièrement instables (c'est-à-dire, de très courtedemi-vie), ils ont été synthétisés au laboratoire mais jamais observés dans la nature[1],[2].

L'hydrogène est le seulélémentdisposant de noms et de symboles différents pour ses différents isotopes, encore en usage de nos jours. L'isotope2H (ou H-2) est ainsi appelé«deutérium»(symbole D), et l'isotope3H (ou H-3)«tritium»(symbole T). L'IUPAC,si elle en reconnaît l'usage, ne le recommande cependant pas. L'isotope le plus commun de l'hydrogène, sansneutron,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 usités.

Muonium

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Article détaillé:muonium.

Le muonium,Mu,est composé d'unélectronet d'unantimuon.Le muonium a des propriétés chimiques qui le rapprochent d'unatome d'hydrogèneet peut être considéré comme l'isotope le plus léger de l'hydrogène, noté0.11H[3],[4].

Hydrogène 1 (protium)

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Article détaillé:protium.
Tube à gazcontenant du protium.

1Hest l’isotope le plus commun de l’hydrogène, sonabondanceatteignant 99,98 %. Comme sonnoyauest constitué d'un seulproton,il est parfois, mais plutôt rarement, appelé «protium». En revanche l'ionH+,obtenu par la perte de l'unique électron de1H, 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)

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Article détaillé:Deutérium.
Tube à gazcontenant du deutérium.

2H,l'autre isotope stable de l'hydrogène, connu sous le nom dedeutériumpossède un noyau constitué d'un proton et d'unneutron.L'abondanceatomique sur Terre du deutérium est comprise entre 0,0026 et 0,0184 %, le nombre le plus bas correspondant au nombre trouvé dans ledihydrogènegazeux, 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 appeléeeau lourde.Le deutérium et ses composés sont utilisés comme marqueurs non-radioactifs dans des expériences de chimie et comme solvants pour laspectroscopie RMNdu proton. L'eau lourde est, elle, utilisée commemodérateur de neutronset liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Le deutérium est aussi un possible combustible dans le cadre de lafusion nucléaire.

Hydrogène 3 (tritium)

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Article détaillé:Tritium.
Tuberadioluminescentutilisant du tritium.

3Hconnu sous le nom detritiumpossède un noyau constitué d'un proton et de deux neutrons. C'est un élément radioactif qui se désintègre enhélium 3pardésintégration β−avec unedemi-viede12,32 ans[5].De petites quantités de tritium sont naturellement présentes à cause de l'interaction entre lesrayons cosmiqueset les gaz atmosphériques. Du tritium a aussi été relâché lors d'essais d'armes nucléaires.Le tritium est utilisé dans desarmes thermonucléaires,comme traceur engéologie isotopiqueet dans certainsdispositifs d'éclairage autoalimentés.

La méthode la plus commune pour produire du tritium consiste à bombarder un isotope naturel dulithium,lelithium 6,avec des neutrons dans unréacteur nucléaire.

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

Hydrogène 4 (quadrium)

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Article détaillé:quadrium.

4H,parfois appeléquadrium,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 dutritiumavec des noyaux rapides dedeutérium[6].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. Samasse atomiqueest de 4,02781 ± 0,00011[7].Il se désintègre parémission de neutronavec unedemi-viede (1,39 ± 0,10)×10−22secondes[8].

Hydrogène 4.1 (hélium muonique)

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L'hélium muonique (4.1H[3]) a été créé en substituant un électron de l'hélium 4par unmuon,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, 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[3].

Hydrogène 5

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5Hest 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 dutritiumpar des noyaux rapides de tritium[6],[9].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 doubleémission de neutronet sademi-vieest d'au moins 9,1 × 10−22secondes[8].

Hydrogène 6

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6Hest un isotope hautement instable de l'hydrogène. Son noyau est constitué d'un proton et de cinq neutrons. Il se désintègre par tripleémission de neutronet sademi-vieest de 2,90 × 10−22secondes[8]

Hydrogène 7

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7H est l'isotope connu dont le rapport des nombres de neutrons et de protons est le plus élevé (N/Z= 6). C'est aussi lenucléideayant la plus petite demi-vie connue, (2,3 ± 0,6) × 10−23s.Il se décompose entritium3H et quatreneutrons.

Il a été synthétisé pour la première fois en 2003 par un groupe de scientifiques russes, japonais et français auRIKEN,en bombardant de l'hydrogèneavec des atomes d'hélium 8.Par cette réaction, les six neutrons de l'hélium 8sont donnés au noyau d'hydrogène. Ce sont les deux protons restants qui ont été détectés par le « télescope RIKEN », un dispositif constitué de plusieurs couches de capteurs positionnés entre la cible et le rayon RI du cyclotron[2].

La réalité de l'existence, bien qu'extrêmement fugace, de l'hydrogène 7, a été confirmée en 2007 par l'observation d'une résonance nucléaire[10].Cette expérience a été réalisée auGANIL,en France, en bombardant une cible decarbone 12par ducarbone 13,produisant ainsi un faisceau d'atomes d'hélium 8,dont quelques-uns ont réagi avec le carbone 12 du gaz ambiant (dubutaneC4H10) suivant la réaction8
2He+12
6C⟶7
1H+13
7N.

Table des isotopes

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Symbole Z N Masse atomique
(u) 		Demi-vie Mode(s) de désintégration[11] Isotope(s)-fils[α] Spin nucléaire
etparité 		Composition isotopique représentative
(fraction molaire) 		Gamme de variation naturelle
(fraction molaire)
0.11H 0 0 0,113[3]
1H 1 0 1,00782503207(10) Stable[β],[γ] 1⁄2+ 0,999885(70) 0,999816–0,999974
2H[δ] 1 1 2,0141017778(4) Stable 1+ 0,000115(70)[ε] 0,000026–0,000184
3H[ζ] 1 2 3,0160492777(25) 12,32(2)an β− 3He 1⁄2+ Trace[η]
4H 1 3 4,027 81(11) 1,39(10)×10-22s
[4,6(9)MeV] 		n 3H 2−
4.1H 2 2 4,116[3]
5H 1 4 5,035 31(11) >9,1×10-22s? n 4H (1⁄2+)
6H 1 5 6,044 94(28) 2,90(70)×10-22s
[1,6(4)MeV] 		3n 3H 2−#
4n 2H
7H 1 6 7,052 75(108)# 2,3(6)×10-23s#
[20(5)MeV]# 		4n 3H 1⁄2+#
  1. ↑Isotopes stables en gras.
  2. ↑Plus grande que 6,6×1033années. Voirdésintégration du proton.
  3. ↑1H et3He sont les seuls isotopes stables avec plus de protons que de neutrons.
  4. ↑Produit pendant lanucléosynthèse primordiale.
  5. ↑L'hydrogène en bouteille à une abondance en2H plus basse que3,2×10-5(fraction molaire).
  6. ↑Produit pendant lanucléosynthèse primordiale,mais plus primordial, car tous les atomes ainsi produits ont été désintégrés en3He.
  7. ↑Isotope cosmogénique.

Remarques

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  • 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'UICPAqui utilisent des incertitudes élargies.

Notes et références

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  1. ↑(en)Y. B. Gurovet al.,«Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei»,Physics of Atomic Nuclei,vol.68,no3,‎,p.491–497(DOI10.1134/1.1891200,Bibcode2005PAN....68..491G)
  2. ↑aetb(en)A. A. Korsheninnikovet al.,«Experimental Evidence for the Existence of7H and for a Specific Structure of8He»,Physical Review Letters,vol.90,no8,‎,p.082501(DOI10.1103/PhysRevLett.90.082501,Bibcode2003PhRvL..90h2501K)
  3. ↑abcdete D. G.Fleming,D. J.Arseneau,O.Sukhorukov,J. H.Brewer,S. L.Mielke,G. C.Schatz,B. C.Garrett,K. A.Petersonet D. G.Truhlar,«Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H2»,Science,vol.331,no6016,‎,p.448–450(PMID21273484,DOI10.1126/science.1199421,Bibcode2011Sci...331..448F,lire en ligne)
  4. ↑(en)David C. Walker, «Muonium. A light isotope of hydrogen»,The Journal of Physical Chemistry,vol.85,no26,‎,p.3960-3971(DOI10.1021/j150626a003)
  5. ↑G. L. Miessler et D. A. Tarr,Inorganic Chemistry,Pearson Prentice Hall,,3eéd.
  6. ↑aetb (en)G. M. Ter-Akopianet al.,«AIP Conference Proceedings»,AIP Conference Proceedings,vol.610,‎,p.920(DOI10.1063/1.1470062)
  7. ↑ (en)«The 2003 Atomic Mass Evaluation»[archive du],Atomic Mass Data Center(consulté le)
  8. ↑abetc(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,‎,p.3–128(DOI10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001,Bibcode2003NuPhA.729....3A,lire en ligne[archive du])
  9. ↑ (en)A. A. Korsheninnikovet al.,«Superheavy Hydrogen5H»,Physical Review Letters,vol.87,no9,‎,p.92501(DOI10.1103/PhysRevLett.87.092501,Bibcode2001PhRvL..87i2501K)
  10. ↑(en)M. Caamaño, D. Cortina-Gil, W. Mittig, H. Savajols, M. Chartieret al.,«Resonance State in7H»,Physical Review Letters,vol.99,‎,articleno062502(DOI10.1103/PhysRevLett.99.062502).
  11. ↑(en)Universal Nuclide Chart

Voir aussi

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Sources

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Masse des isotopes depuis:

Compositions isotopiques et masses atomiques standards:

Demi-vie, spin et données sur les isomères:

Articles connexes

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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
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