Isotopes de l'hélium

L'hélium (He) (masse atomique standard: 4,002602(2) u) possède huit isotopes connus, mais seulement deux sont stables, l'hélium 3 (³He) et l'hélium 4 (⁴He). Tous les radioisotopes de l'hélium ont une durée de vie courte, ⁶He, celui à la durée la plus longue ayant une demi-vie de 806,7 millisecondes. L'isotope le plus courant de l'hélium dans l'atmosphère terrestre est l'hélium-4, la fraction atomique entre les deux isotopes étant de un pour un million^[1]. Cependant, l'hélium est assez inhabituel au sens que son abondance isotopique varie grandement en fonction de son origine. Dans le milieu interstellaire, la proportion d'³He est mille fois plus élevée^[2]. Les roches de la croûte terrestre ont des ratios d'isotopes variant d'un facteur 10, en fonction de leur origine; ce faut est d'ailleurs utilisé en géologie pour étudier l'origine des roches et la composition du manteau terrestre^[3]. Les différents procédé de formations des deux isotopes stables produisent des abondances isotopiques différentes.

Des mélanges à parts égales d'hélium 3 et 4 se séparent en dessous de -272,35 °C en deux phases non miscibles à cause de leur dissemblance (les deux isotopes suivent une statistique quantique différente : les atomes d'⁴He sont des bosons alors que ceux d' ³He sont des fermions)^[4]. Les réfrigérateurs à dilution utilise cette non-miscibilité des deux isotopes pour obtenir des température de quelques millikelvins.

Tous les isotopes de l'hélium plus lourds que ⁴He sont instables et se désintègre avec une demi-vie inférieure à une seconde. Cependant les chercheurs ont créé de nouveaux isotopes grâce à des collisions dans des accélérateurs de particules afin de produire des noyau inhabituels pour des éléments tels que l'hélium, le lithium ou l'azote. Les structures nucléaires étranges de ces isotopes permettent d'avoir un autre regard sur les propriétés isolées des neutrons.

Hélium 2 (diproton)

L'hélium 2 (²He) est un isotope hypothétique de l'hélium le noyau serait constitué de deux protons et d'aucun neutron. Il est pour cette raison appelé « diproton ». Les diprotons sont théoriquement instables à cause des interactions spin-spin et du principe d'exclusion de Pauli qui forcerait les deux protons à avoir des spins anti-alignés, ce qui donnerait au diproton une énergie de liaison négative^[5].

Il est possible qu'il y ait eu des observations d'²He instable. En 2000, des physiciens ont observé pour la première fois un nouveau type de désintégration radioactive dans laquelle un noyau émet deux protons à la fois, et donc peut être un noyau d'²He^[6],[7]. L'équipe dirigée par Alfredo Galindo-Uribarri de l'Oak Ridge National Laboratory ont choisit un isotope du néon avec une structure énergétique qui l'empêche d'émettre un seul proton à la fois, signifiant que seuls deux protons peuvent être éjectés, simultanément. L'équipe a alors mis une cible enrichie en protons sous un faisceau d'ion fluor pour produire du ¹⁸Ne, qui se désintègre ensuite en oxygène et deux protons. Tout proton éjecté de la cible a été identifié par sa caractéristique énergétique. Il existe deux façons pour que l'émission des deux protons ait lieu : le noyau de néon peut éjecter un 'diproton' qui se désintègre ensuite en se séparant en deux protons, mais aussi les deux protons peuvent être émis séparément mais de façon simultanée, phénomène appelé « désintégration démocratique » (« democratic decay »). Si l'expérience à bien montré que l'émission de deux protons simultanée était possible, les paramètres n'étaient pas asse fin pour détermine selon quel mode a eu lieu cette émission.

La meilleur preuve de l'existence d'²He a été trouvée en 2008 à l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, en Italie. dans cette expérience, les chercheurs ont bombardé une feuille de béryllium avec un faisceau de ²⁰Ne. Dans la collision, certains atomes de néon se transformèrent en ¹⁸Ne. Les noyaux sont ensuite entrés en collision avec une feuille de plomb. Cette seconde collision a eu pour effet d'exciter les noyaux de ¹⁸Ne dans un état très instable. Comme lors de l'expérience d'Oak Ridge, les noyaux de ¹⁸Ne se sont désintégrés en noyaux d'¹⁶O, et deux protons émis depuis la même direction. La nouvelle expérience a montré que les deux protons ont été éjectés ensemble avant de se désintégrer en deux protons séparés un milliardième de seconde plus tard.

De même RIKEN au Japon et au JINR de Dubna en Russie, il a été découvert durant la production d'⁵He par collision entre un faisceau de noyaux d'⁶He et une cible d'hydrogène cryogénique, que les noayux d'⁶He pouvaient donner leur quatre neutrons à l'hydrogène; ceci laisse donc protons qui peuvent être éjecté simultanément de la cible, sous le forme d'²He qui se désintègre rapidement en deux protons. une réaction similaire a aussi été observé lors de la collision entre des noyaux d'⁸He et de l'hydrogène.

Hélium 3

L' hélium 3 (³He) n'est présent qu'à l'état de trace sur Terre, principalement présent depuis la formation de la Terre, même si une petite quantité arrive sur Terre piégé dans de la poussière interstellaire^[3]. Certaines traces proviennent aussi de la désintégration β du tritium^[8]. Dans les étoiles par contre, ³He est plus abondant car c'est un prduit de fusion nucléaire. certains matériaux extra-planétaires tel que la régolithe des lunes ou des astéroïdes contiennent des traces d'³He de par leur exposition aux vents solaires.

Hélium 4

L' hélium 4 (⁴He) est l'isotope le plus commun de l'hélium. Il est produit sur Terre par la désintégration α d'éléments radioactifs plus lourds, les particules α ainsi émises étant des atomes d'⁴He totalement ionisés. Il a été produit en très grandes quantités lors de la nucléosynthèse primordiale. ⁴He est particulièrement stable, cela étant du au fait que ses nucléons forment une couche complète.

Hélium 5

L'hélium 5 (⁵He) est l'isotope de l'hélium à la durée de vie la plus courte avec une demi-vie de 7,6×10⁻²² seconde. Il a un noyau constitué de deux protons et de trois neutrons. Il se désintègre principalement par émission de neutron en ⁴He.

Hélium 6

L'hélium 6 (⁶He) est l'isotope instable de l'hélium avec le durée de vie la plus longue (demi de vie de 0,8 s). Il a un noyau formellement constitué de deux protons et de quatre neutrons, mais il est en fait constitué d'un noyau d'hélium 4 entouré par un « halo » de deux neutrons. Il se désintègre par désintégration β^- en formant un atome de lithium 6. Dans de très rares cas, il peut subir une fission nucléaire, accompagné d'un rayonnement β pour former de l'hélium 4 et du deutérium

Hélium 7

L'hélium 7 (⁷He) est un isotope a durée de vie très courte (demi-vie de 2,9×10⁻²¹ s). Il a un noyau constitué de deux protons et de cinq neutrons et se désintègre par émission de neutron en hélium 6. L'hélium 7 est un « hyperfragment » créé par certaine réactions nucléaires^[9]

Hélium 8

L'hélium 8 (⁸He) est l'isotope lourd de l'hélium le plus étudié. Comme l'hélium 6 son noyau est constitué d'un noyau d'hélium 4 entouré par un « halo », mais à quatre neutrons. sa durée de vie est relativement longue (demi-vie de 0,1 s). Il se désintègre majoritairement par désintégration β^- pour former ⁸Li, plus rarement désintégration β^- et émission de neutron pour former ⁷Li et dans certains cas beaucoup plus rare, par désintégration β^- et fission pour former ³He et ³H. Comme l'hélium 7, c'est un un « hyperfragment » créé par certaine réactions nucléaires^[9]

Table des isotopes

Notes

• La composition isotopique est celle de l'air.
• 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.
• 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 donnée de façon concise entre parenthèse 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 incertitudes élargies.

Références

• Masse des isotopes depuis :
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », dans Nuclear Physics A, vol. 729, 2003, p. 3–128 [texte intégral, lien DOI] 
• Compositions isotopiques et masses atomiques standards :
  • 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) », dans Pure and Applied Chemistry, vol. 75, n^o 6, 2003, p. 683–800 [texte intégral, lien DOI] 
  • M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », dans Pure and Applied Chemistry, vol. 78, n^o 11, 2006, p. 2051–2066 [texte intégral, lien DOI] 
• Demi-vie, spin et données sur les isomères sélectionnés depuis les source suivantes :
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », dans Nuclear Physics A, vol. 729, 2003, p. 3–128 [texte intégral, lien DOI] 
  • National Nuclear Data Center, « NuDat 2.1 database », Brookhaven National Laboratory. Consulté le September 2005
  • (en) N. E. Holden, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 2004 (ISBN 978-0849304859), « Table of the Isotopes », p. Section 11 

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Isotopes of helium » (voir la liste des auteurs)

Voir aussi

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