Les atomes sont les «éléments constitutifs de la matière». Tout ce qui a de la masse et occupe de l'espace (en ayant du volume) est composé de ces minuscules petites unités. Cela vaut pour l'air que vous respirez, l'eau que vous buvez et votre corps lui-même.
Les isotopes sont un concept essentiel dans l'étude des atomes. Les chimistes, les physiciens et les géologues les utilisent pour donner un sens à notre monde. Mais avant de pouvoir expliquer ce que sont les isotopes - ou pourquoi ils sont si importants - nous devrons prendre du recul et regarder les atomes dans leur ensemble.
Notre monde atomique
Comme vous le savez probablement, les atomes ont trois composants principaux - dont deux résident dans le noyau. Situé au centre de l'atome, le noyau est un amas serré de particules. Certaines de ces particules sont des protons, qui ont des charges électriques positives.
Il est bien documenté que les charges opposées attirent. Pendant ce temps, les corps chargés de la même manière ont tendance à se repousser. Alors, voici une question: comment deux protons ou plus - avec leurs charges positives - peuvent-ils coexister dans le même noyau? Ne devraient-ils pas se repousser?
C'est là que les neutrons entrent en jeu. Les neutrons sont des particules subatomiques qui partagent des noyaux avec des protons. Mais les neutrons ne possèdent pas de charge électrique. Fidèles à leur nom, les neutrons sont neutres, n'étant ni chargés positivement ni négativement. C'est un attribut important. En raison de leur neutralité, les neutrons peuvent empêcher les protons de se chasser du noyau.
"Élémentaire mon cher Watson"
En orbite autour du noyau se trouvent les électrons, des particules ultra-légères avec des charges négatives. Les électrons facilitent la liaison chimique - et leurs mouvements peuvent produire une petite chose appelée électricité . Les protons ne sont pas moins importants. D'une part, ils aident les scientifiques à distinguer les éléments.
Vous avez peut-être remarqué que dans la plupart des versions du tableau périodique , chaque carré a un petit nombre imprimé dans son coin supérieur droit. Ce chiffre est connu sous le nom de numéro atomique. Il indique au lecteur combien de protons se trouvent dans le noyau atomique d'un élément donné. Par exemple, le numéro atomique de l'oxygène est huit. Chaque atome d'oxygène de l'univers a un noyau avec exactement huit protons; Ni plus ni moins.
Sans cet arrangement très spécifique de particules, l'oxygène ne serait pas de l'oxygène. Le numéro atomique de chaque élément - y compris celui de l'oxygène - est totalement unique. Et c'est un trait déterminant. Aucun autre élément n'a huit protons par noyau. En comptant les protons, vous pouvez identifier un atome. Tout comme les atomes d'oxygène auront toujours huit protons, les atomes d'azote en viennent invariablement avec sept. C'est si simple.
Les neutrons ne font pas de même. Le noyau d'un atome d'oxygène est garanti pour héberger huit protons (comme nous l'avons établi). Cependant, il peut également contenir entre quatre et 20 neutrons . Les isotopes sont des variantes du même élément chimique qui ont différents nombres de neutrons.
Maintenant, chaque isotope est nommé sur la base de son numéro de masse, qui est le nombre total combiné de neutrons et de protons dans un atome. Par exemple, l'un des isotopes de l'oxygène les plus connus est appelé oxygène-18 (O-18). Il a les huit protons standard plus 10 neutrons.
Ergo, le nombre de masse d'O-18 est - vous l'avez deviné - 18. Un isotope apparenté, l'oxygène-17 (O-17), a un neutron de moins dans le noyau.
Se sentir instable
Certaines combinaisons sont plus fortes que d'autres. Les scientifiques classent O-17 et O-18 comme isotopes stables. Dans un isotope stable, les forces exercées par les protons et les neutrons se maintiennent ensemble , gardant en permanence le noyau intact.
D'un autre côté, les noyaux des isotopes radioactifs, également appelés « radio - isotopes », sont instables et se désintègrent avec le temps. Ces choses ont un rapport proton / neutron qui est fondamentalement insoutenable à long terme. Personne ne veut rester dans cette situation difficile. Par conséquent, les isotopes radioactifs vont perdre certaines particules subatomiques (et de l' énergie libération) jusqu'à ce qu'ils se sont convertis en bien, les isotopes stables.
O-18 est stable, mais l'oxygène-19 (O-19) ne l'est pas. Ce dernier tombera inévitablement en panne - vite! Dans les 26,88 secondes suivant sa création, un échantillon d'O-19 est assuré de perdre la moitié de ses atomes aux ravages de la désintégration.
Cela signifie que l'O-19 a une demi-vie de 26,88 secondes. Une demi-vie est le temps nécessaire à 50% d'un échantillon d'isotope pour se désintégrer. Souvenez-vous de ce concept; nous allons le relier à la paléontologie dans la section suivante.
Mais avant de parler de science des fossiles, il y a un point important à souligner. Contrairement à l'oxygène, certains éléments n'ont aucun isotope stable . Pensez à l'uranium. Dans le monde naturel, il y a trois isotopes de ce métal lourd, et ils sont tous radioactifs , avec les noyaux atomiques dans un état constant de désintégration. Finalement, un morceau d'uranium se transformera en un élément complètement différent.
N'essayez pas de regarder la transition en temps réel. Le processus se déroule très, très lentement.
Obtenir des dates (et rester en bonne santé)
L'uranium-238 (U-238), l'isotope le plus courant de l'élément, a une demi-vie d'environ 4,5 milliards d'années ! Peu à peu, il deviendra du plomb-206 (Pb-206), qui est stable. De même, l'uranium-235 (U-235) - avec sa demi-vie de 704 millions d'années - se transforme en plomb-207 (Pb-207), un autre isotope stable.
Pour les géologues, c'est une information vraiment utile. Disons que quelqu'un trouve une plaque de roche dont les cristaux de zircon contiennent un mélange d'U-235 et de Pb-207. Le rapport de ces deux atomes peut aider les scientifiques à déterminer l'âge de la roche.
Voici comment: disons que les atomes de plomb sont largement plus nombreux que leurs homologues d'uranium. Dans ce cas, vous savez que vous regardez un joli vieux rocher. Après tout, l'uranium a eu amplement le temps de commencer à se transformer en plomb. D'un autre côté, si le contraire est vrai - et les atomes d'uranium sont plus courants - alors la roche doit être plus jeune.
La technique que nous venons de décrire s'appelle la datation radiométrique . C'est l'acte d'utiliser les taux de décomposition bien documentés des isotopes instables pour estimer l'âge des échantillons de roche et des formations géologiques. Les paléontologues exploitent cette stratégie pour déterminer combien de temps s'est écoulé depuis le dépôt d'un fossile particulier. (Bien qu'il ne soit pas toujours possible de dater directement le spécimen .)
Vous n'avez pas besoin d'être un mordu de la préhistoire pour apprécier les isotopes. Les médecins utilisent certaines des variétés radioactives pour surveiller le flux sanguin, étudier la croissance osseuse et même lutter contre le cancer. Les radio-isotopes ont également été utilisés pour donner aux agriculteurs un aperçu de la qualité des sols .
Alors là vous l'avez. Quelque chose d'aussi abstrait en apparence que la variabilité des neutrons affecte tout, du traitement du cancer aux mystères du temps profond. La science est géniale.
MAINTENANT C'EST AMUSANT
Le sport et la science se croisent plus souvent que vous ne le pensez. La plus grande ville du Nouveau-Mexique a décroché une nouvelle équipe de baseball des ligues mineures en 2003. Son nom? Les isotopes d'Albuquerque. Une référence à un épisode de la saison 12 de "The Simpsons", le nom inhabituel de l'équipe a eu un effet secondaire agréable: par nécessité, les employés du stade donnent régulièrement des cours de chimie à des fans curieux.
