Les isotopes sont les mêmes atomes à cela près qu’ils ont une quantité de neutrons différente. Les plus connus sont sans doute les principaux isotopes de l’uranium: l’ U238, qui représente 99,275% de l’uranium qu’on trouve dans la nature, et l’U235, qui est utilisé dans les centrales nucléaires. Toutefois, les isotopes de l’hydrogène aussi ont une certaine renommée. Ce sont eux que nous allons présenter ici.
Les isotopes de l’hydrogène
L’atome d’hydrogène peut avoir 7 isotopes, mais nous ne parlerons que de 3, les autres étant trop instables: l’hydrogène « normal » (hydrogène 1), le deutérium (hydrogène 2) et le tritium (hydrogène 3).
Hydrogène 1: Protium
Le noyau de l’hydrogène 1 ou « protium » ou « hydrogène léger » est composé d’un proton et d’aucun neutron.
La masse atomique du protium 1H est de 1,007u.
Il est aussi noté 1H ou H-1.
Hydrogène 2: Deutérium
Le noyau du deutérium (deuton) est composé d’un proton et d’un neutron. On parle aussi d’hydrogène lourd. Il a été découvert en 1931 par Harold Clayton Urey.
C’est un atome stable, non radioactif, qu’on en trouve dans la nature en de très petites proportions. Il y en aurait, par exemple, 32.4g/m3 dans l’eau de mer (=32.4mg/L).
La masse atomique du deutérium 2H est de 2,014u.
Il est aussi noté 2H, D ou H-2.
Hydrogène 3: Tritium
Le noyau du tritium (triton) est composé d’un proton et de 2 neutrons. Il a été découvert en 1934, par Ernest Rutherford.
C’est un atome instable, radioactif. On en trouve toutefois dans la nature (1 atome pour 1018 atomes d’hydrogène) ou comme rejet de l’industrie nucléaire. En France, il est stocké sur le site avant d’être rejeté dans certaines conditions.
La masse atomique du tritium est de 3,016u.
Il est aussi noté 3H, T ou H-3.
Applications pratiques
Les isotopes de l’hydrogène 2H et 3H vont être utilisés de diverses façons:
- dans l’eau lourde
- dans l’eau tritiée (ou super-lourde)
- la fusion nucléaire
- les bombes atomiques
- divers applications, comme le marquage biologique ou la luminescence
L’eau lourde
L’eau lourde est une molécule d’eau où les atomes d’hydrogène sont des atomes de deuterium. On parle aussi d’oxyde de deutérium.
Elle est utilisée
- en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN);
- dans certains réacteurs nucléaires, pour ralentir les neutrons émis par la fission nucléaire (on parle de « modérateur de neutrons« ) pour augmenter la probabilité qu’ils déclenchent de nouvelles réactions en chaîne;
- pour détecter les neutrinos.
Anecdote historique: La première usine de production d’eau lourde, créée en 1934 en Norvège, a été l’objet de plusieurs opérations militaires. On parle de la « bataille de l’eau lourde« .
L’eau tritiée
L’eau tritiée est une molécule d’eau où les atomes d’hydrogène sont des atomes de tritium. On l’appelle aussi « eau super-lourde » ou « oxyde de tritium » et on la note T2O ou 3H2O. Par extension, cela désigne aussi ses formes (très) diluées.
C’est un important déchet radioactif dangereux.
Elle est néanmoins aussi utilisée comme outil de datation et comme traceur dans les études biologiques.
La fusion nucléaire
Le tritium serait « un élément clef de la fusion nucléaire, par la grande section efficace et l’énergie dégagée par sa réaction avec le deutérium » :
« Tous les noyaux composés de neutrons et de protons sont chargés positivement, et se repoussent du fait de la force électrostatique qui en résulte. Cependant, quand la température et la pression sont suffisamment élevées, ils peuvent se rapprocher au point que l’interaction forte prenne le dessus et provoque la fusion en un noyau plus gros.
Le noyau de tritium, formé d’un proton et de deux neutrons, a une charge électrique identique à celle du noyau d’un atome d’hydrogène, et subit donc la même répulsion électrostatique. Mais les neutrons augmentent l’effet de l’interaction forte, permettant une fusion plus facile qu’entre atomes d’hydrogène. »
Wikipedia
Les bombes atomiques
Le deutérium et le tritium peuvent aussi être utilisés pour accroitre l’efficacité des bombes nucléaires.
Divers
Le tritium gazeux étant luminescent (c’est le joli vert utilisé pour caricaturer les déchets radioactifs), il peut être utilisé dans divers objets civils (montres, panneaux, signalisation, etc.) en très faibles quantités.
Des chercheurs du CEA-Joliot développent une méthode de marquage des molécules en remplaçant certains atomes d’hydrogène par du deutérium ou du tritium.
Vous pouvez trouver de nombreux autres usages du tritium sur son article wikipedia, qui est très très riche.
https://www.irsn.fr/FR/connaissances/Nucleaire_et_societe/education-radioprotection/bases_radioactivite/Pages/3-isotope.aspx#.YC2RCvnjKUl
Cet article fait partie de notre dossier « Hydrogène, autonomie et transition énergétique » dans la partie sur la physique de l’hydrogène.