Isotopes de l'uranium

L'uranium, de symbole U, possède 26 isotopes connus, de nombre de masse variant de 217 à 242. Il possède également sept isomères nucléaires. L'uranium est un élément radioactif naturel et il ne possède donc aucun isotope stable, mais il possède deux isotopes primordiaux (l'uranium 238 et l'uranium 235) qui possèdent une longue demi-vie et sont présents en quantité appréciable dans la croûte terrestre, avec leur produit de désintégration, l'uranium 234.

L'uranium naturel est composé de trois principaux isotopes, l'uranium 238 (99,2739 à 99,2752 % d'abondance naturelle), l'uranium 235 (0,7198 - 0,7202 %) et l'uranium 234 (0,0050 - 0,0059 %)^[1].

Sa masse atomique moyenne est de 238,02891(3) u^[2].

Parmi les trois isotopes naturels, le plus abondant et le moins instable est l'uranium 238 avec une demi-vie de 4,4688 Ga (soit proche de l'âge de la Terre). L'uranium 235 a une demi-vie de 0,703 8 Ga, et l'uranium 234 (fils du 238) une demi-vie de 245 000 ans. D'autres isotopes sont produits artificiellement, par exemple l'uranium 232 et l'uranium 236 formés dans les réacteurs à fission ordinaires ou les surgénérateurs. L'uranium 233 est, lui, préparé à partir du thorium 232 par bombardement de neutrons.

Isotopes notables

Isotopes naturels

Articles détaillés : Uranium 234, Uranium 235 et Uranium 238.

Isotope	Abondance naturelle
²³⁸U	99,2739 à 99,2752 %
²³⁵U	0,7198 à 0,7202 %
²³⁴U	0,0050 à 0,0059 %

L'uranium 234 (²³⁴U) possède une demi-vie de 245 500 années, et constitue une très faible partie de l'uranium naturel. C'est un descendant de l'uranium 238 et il était historiquement appelé Uranium II.

L'uranium 235 (²³⁵U) possède une demi-vie de 703,8 millions d'années. Il sert dans les réacteurs nucléaires, pour produire de l'énergie par fission. Il constitue 0,711 % de l'uranium naturel. Il était historiquement appelé actino-uranium.

L'uranium 238 (²³⁸U) est le plus commun des isotopes de l'uranium et le plus stable, avec une demi-vie de 4,4688 milliards d'années. Il était historiquement appelé Uranium I.

Quand on le bombarde avec un neutron, il se transforme, au bout de plusieurs étapes, en plutonium 239 :

\mathrm {^{1}_{0}n+{}_{\ 92}^{238}U\to {}_{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,45\ min}]{\beta ^{-}\ 1,265\ MeV}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ jours}]{\beta ^{-}\ 0,722\ MeV}}\ _{\ 94}^{239}Pu}

À l'époque du début du fonctionnement des réacteurs naturels d'Oklo il y a 1,95 × 10⁹ ans la teneur en uranium 235 de l'uranium terrestre était de 3,66 % ; à la formation de la Terre elle était de près de 32 %. Au moment de l'explosion de la supernova - supposée unique - ayant produit les matériaux lourds existants sur la Terre et dans le système solaire, il y a 1,65 fois plus d'atomes d'uranium 235 que d'uranium 238 de formés dans l'explosion suivant la modélisation de l'explosion. Ceci correspond à un « enrichissement » en uranium 235 par rapport au total ²³⁵U + ²³⁸U de : 1,65 / (1 + 1,65) = 62,3 %. L'explosion peut dès lors être datée : il y a 5,366 × 10⁹ ans. L'uranium 238 est un émetteur α, et il se désintègre via les 18 membres de la chaîne de désintégration de l'uranium 238 en plomb 206. La chaîne de désintégration de l'uranium 235 comporte 15 membres et se termine sur le plomb 207. Les taux constants de désintégration de ces séries permet en comparant les ratios d'isotopes parent/fils la datation radiométrique. L'isotope ²³⁵U est important, aussi bien pour le nucléaire civil que militaire, car c'est le seul isotope fissile naturel en quantité appréciable. L'isotope ²³⁸U est aussi important car il peut absorber des neutrons et former un radioisotope qui se désintègre par la suite en plutonium 239, qui est aussi fissile.

Autres isotopes

Uranium 232

Article détaillé : Uranium 232.

L'uranium 232 (²³²U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 140 neutrons. Il possède une demi-vie de 68,9 années et est un sous produit du cycle du thorium.

Uranium 233

Article détaillé : Uranium 233.

L'uranium 233 (²³³U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 141 neutrons. Il possède une demi-vie de 159 200 années.

Uranium 236

Article détaillé : Uranium 236.

L'uranium 236 (²³⁶U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 144 neutrons. Émetteur alpha de la chaîne de désintégration du thorium 4 n + 0. Il possède une demi-vie de 23,42 millions d'années.

Uranium 237

L'uranium 237 (²³⁷U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 145 neutrons. Il possède une demi-vie de 6,75 jours.

Uranium 239

L'uranium 239 (²³⁹U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 147 neutrons. Il est habituellement produit en exposant de l'²³⁸U à un faisceau de neutrons dans un réacteur nucléaire. ²³⁹U a une demi-vie d'environ 23,45 minutes et se désintègre en neptunium 239 par désintégration β⁻, avec une énergie de désintégration totale d'environ 1,29 MeV^[3]. La désintégration gamma la plus commune à 74,660 keV représente la différence d'énergie entre les deux canaux principaux d'émission bêta, à 1,28 et 1,21 MeV^[4].

²³⁹Np se désintègre ensuite en plutonium 239, fissile (utilisé en nucléaire civil et militaire).

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	Masse isotopique	Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[5]^,^{[n 1]}	Isotope(s) fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[5]^,^{[n 1]}	Isotope(s) fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
²¹⁷U	92	125	217,02437(9)	26(14) ms [16(+21-6) ms]			1/2-#
²¹⁸U	92	126	218,02354(3)	6(5) ms	α	²¹⁴Th	0+
²¹⁹U	92	127	219,02492(6)	55(25) ms [42(+34-13) ms]	α	²¹⁵Th	9/2+#
²²⁰U	92	128	220,02472(22)#	60# ns	α	²¹⁶Th	0+
²²⁰U	92	128	220,02472(22)#	60# ns	β⁺ (rare)	²²⁰Pa	0+
²²¹U	92	129	221,02640(11)#	700# ns	α	²¹⁷Th	9/2+#
²²¹U	92	129	221,02640(11)#	700# ns	β⁺ (rare)	²²¹Pa	9/2+#
²²²U	92	130	222,02609(11)#	1,4(7) us [1,0(+10-4) us]	α	²¹⁸Th	0+
²²²U	92	130	222,02609(11)#	1,4(7) us [1,0(+10-4) us]	β⁺ (10⁻⁶ %)	²²²Pa	0+
²²³U	92	131	223,02774(8)	21(8) us [18(+10-5) us]	α	²¹⁹Th	7/2+#
²²⁴U	92	132	224,027605(27)	940(270) us	α	²²⁰Th	0+
²²⁵U	92	133	225,02939#	61(4) ms	α	²²¹Th	(5/2+)#
²²⁶U	92	134	226,029339(14)	269(6) ms	α	²²²Th	0+
²²⁷U	92	135	227,031156(18)	1,1(1) min	α	²²³Th	(3/2+)
²²⁷U	92	135	227,031156(18)	1,1(1) min	β⁺ (0,001 %)	²²⁷Pa	(3/2+)
²²⁸U	92	136	228,031374(16)	9,1(2) min	α (95 %)	²²⁴Th	0+
²²⁸U	92	136	228,031374(16)	9,1(2) min	CE (5 %)	²²⁸Pa	0+
²²⁹U	92	137	229,033506(6)	58(3) min	β⁺ (80 %)	²²⁹Pa	(3/2+)
²²⁹U	92	137	229,033506(6)	58(3) min	α (20 %)	²²⁵Th	(3/2+)
²³⁰U	92	138	230,033940(5)	20,8 j	α	²²⁶Th	0+
					FS (1,4 × 10⁻¹⁰ %)	(divers)
					β⁺β⁺ (rare)	²³⁰Th
²³¹U	92	139	231,036294(3)	4,2(1) j	CE	²³¹Pa	(5/2)(+#)
²³¹U	92	139	231,036294(3)	4,2(1) j	α (0,004 %)	²²⁷Th	(5/2)(+#)
²³²U	92	140	232,0371562(24)	68,9(4) a	α	²²⁸Th	0+
					DC (8,9 × 10⁻¹⁰ %)	²⁰⁸Pb ²⁴Ne
					DC (5 × 10⁻¹² %)	²⁰⁴Hg ²⁸Mg
					FS (10⁻¹² %)	(divers)
²³³U	92	141	233,0396352(29)	1,592(2) × 10⁵ a	α	²²⁹Th	5/2+
					FS(6 × 10⁻⁹ %)	(divers)
					DC (7,2 × 10⁻¹¹ %)	²⁰⁹Pb ²⁴Ne
					DC (1,3 × 10⁻¹³ %)	²⁰⁵Hg ²⁸Mg
²³⁴U^{[n 3]}^,^{[n 4]}	92	142	234,0409521(20)	2,455(6) × 10⁵ a	α	²³⁰Th	0+
					FS (1,73 × 10⁻⁹ %)	(divers)
					DC (1,4 × 10⁻¹¹ %)	²⁰⁶Hg ²⁸Mg
					DC (9 × 10⁻¹² %)	¹⁸⁴Hf ²⁶Ne ²⁴Ne
^234mU	1421,32(10) keV			33,5(20) ms			6-
²³⁵U^{[n 5]}^,^{[n 6]}^,^{[n 7]}	92	143	235,0439299(20)	7,04(1) × 10⁸ a	α	²³¹Th	7/2-
					FS (7 × 10⁻⁹ %)	(divers)
					DC (8 × 10⁻¹⁰ %)	¹⁸⁶Hf ²⁵Ne ²⁴Ne
^235mU	0,0765(4) keV			~26 min	TI	²³⁵U	1/2+
²³⁶U	92	144	236,045568(2)	2,342(3) × 10⁷ a	α	²³²Th	0+
²³⁶U	92	144	236,045568(2)	2,342(3) × 10⁷ a	FS (9,6 × 10⁻⁸ %)	(divers)	0+
^236m1U	1052,89(19) keV			100(4) ns			(4)-
^236m2U	2750(10) keV			120(2) ns			(0+)
²³⁷U	92	145	237,0487302(20)	6,75(1) j	β^-	²³⁷Np	1/2+
²³⁸U^{[n 4]}^,^{[n 5]}^,^{[n 6]}	92	146	238,0507882(20)	4,468(3) × 10⁹ a	α	²³⁴Th	0+
					FS (5,45 × 10⁻⁵ %)	(divers)
					β^-β^- (2,19 × 10⁻¹⁰ %)	²³⁸Pu
^238mU	2557,9(5) keV			280(6) ns			0+
²³⁹U	92	147	239,0542933(21)	23,45(2) min	β^-	²³⁹Np	5/2+
^239m1U	20(20)# keV			>250 ns			(5/2+)
^239m2U	133,7990(10) keV			780(40) ns			1/2+
²⁴⁰U	92	148	240,056592(6)	14,1(1) h	β^-	²⁴⁰Np	0+
²⁴⁰U	92	148	240,056592(6)	14,1(1) h	α (10⁻¹⁰ %)	²³⁶Th	0+
²⁴¹U	92	149	241,06033(32)#	5# min	β^-	²⁴¹Np	7/2+#
²⁴²U	92	150	242,06293(22)#	16,8(5) min	β^-	²⁴²Np

Constante de désintégration (λ)

La constante de désintégration des atomes, sert à calculer le temps que prendra un atome ou un groupe d'atomes pour se désintégrer. Elle est notée λ (la lettre grecque lambda) et est donnée par l'équation suivante : N(t) = N * exp(-λt), où N est le nombre initial d'atomes radioactifs et exp(-λt) est l'exponentielle décroissante de λt. On peut calculer λ en effectuant l'opération suivante :

λ = Ln(2) / t_1/2 où Ln(2) est le logarithme népérien de 2, et t_1/2 la demi-vie de l'atome

Par exemple, avec l'uranium 237, λ = Ln(2) / 6,75 jours = Ln(2) / (6,75/365,25) année = 37,5069641 années^-1

Si on avait, par exemple, 100 g d'uranium 237, et que l'on cherche combien il y en aura dans 1 an, on fait l'opération suivante : N(1 an) = 100 g * exp(-37,506941*1) = 5,14E-15 g, soit une quasi-disparition de l'uranium 237.

Remarques

L'évaluation de la composition isotopique est valable pour la plupart des échantillons commerciaux, mais pas tous.
La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données sont normalement valables pour tout matériel terrestre normal.
Des matériaux disponibles dans le commerce peuvent avoir été soumis à un fractionnement isotopique involontaire ou non indiqué. Il est possible d'avoir des écarts importants entre la masse et la composition données.
Il existe des échantillons géologiques exceptionnels dont la composition isotopique est en dehors de l'échelle donnée. L'incertitude sur la masse atomique de tels spécimens peut excéder les valeurs données.
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

Notes

↑ Abréviations :
DC : désintégration par émission de cluster ;
CE : capture électronique ;
TI : transition isomérique ;
FS : fission spontanée.
↑ Isotopes stables en gras.
↑ Utilisé en datation uranium-thorium.
↑ ^{a et b} Utilisé en datation uranium-uranium.
↑ ^{a et b} Radioisotope primordial.
↑ ^{a et b} Utilisé en datation uranium-plomb.
↑ Important dans les réacteurs nucléaires.

Références

↑ (en)« Uranium Isotopes » (consulté le 14 mars 2012)
↑ « Pictures, stories, and facts about the element Uranium in the Periodic Table », sur www.periodictable.com (consulté le 24 mars 2016)
↑ CRC Handbook, 57th Ed. p. B-345
↑ CRC Handbook, 57th Ed. p. B-423
↑ (en) Universal Nuclide Chart

Voir aussi

Sources

Masse des isotopes :

(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 [archive du 23 septembre 2008])

Compositions isotopiques et masses atomiques standards :

(en) J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman and P. D. P. Taylor, « Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 75, n^o 6,‎ 2003, p. 683–800 (DOI 10.1351/pac200375060683, lire en ligne)
(en) M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 78, n^o 11,‎ 2006, p. 2051–2066 (DOI 10.1351/pac200678112051, résumé, lire en ligne)

Demi-vies, spins et données sur les isomères sélectionnés :

(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 [archive du 23 septembre 2008])
(en) National Nuclear Data Center, « NuDat 2.1 database », Brookhaven National Laboratory (consulté en septembre 2005)
(en) N. E. Holden et D. R. Lide (dir.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 2004, 85^e éd., 2712 p. (ISBN 978-0-8493-0485-9, lire en ligne), « Table of the Isotopes », Section 11

Bibliographie

(en) Haoyu Li et François L. H. Tissot, « UID: The uranium isotope database », Chemical Geology, vol. 618,‎ 20 février 2023, article n^o 121221 (DOI 10.1016/j.chemgeo.2022.121221)