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Isotopes stables

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Pour chaque élément du tableau périodique, il existe un atome qui possède le même nombre de protons dans le noyau mais un nombre de neutrons différent. Ainsi, un élément donné peut présenter des atomes de masses différentes, aussi appelés isotopes.

 Ces différents isotopes peuvent être stables ou non. Par exemple, la majorité du carbone dans la nature possède une masse atomique de 12 (98,89%), mais il existe du carbone de masse 13 (1,11%) et du carbone de masse 14 (10-12%). Le carbone de masse 14 (14C) est instable et se désintègre en azote, mais le carbone de masse 13 (13C) est stable. Ainsi, lors des processus chimiques et biologiques naturels, les 2 isotopes stables du carbone (12C & 13C) participent aux réactions.  Cependant, puisque le 12C est plus léger que le 13C, il sera préférentiellement utilisé lors des processus de transformation chimiques et biologiques naturels. Cette utilisation préférentielle du 12C est due au fait que l’utilisation du 13C (plus lourd) lors des différentes réactions chimiques et biologiques requiert plus d’énergie. Ce processus est appelé fractionnement. De cette façon, les différents matériaux présents dans la nature possèdent des signatures isotopiques distinctes. C’est-à-dire que le rapport 13C/12C ne sera pas le même dans du maïs que dans un érable ou dans une plante aquatique. Ainsi, il est possible de retracer l’origine de la matière organique à tout moment dans un système naturel donné.

Le spectromètre de masse (figure 1&2) est l’appareil utilisé pour mesurer la quantité de 12C et de 13C dans un échantillon. Puisqu’il est techniquement difficile, voir impossible, de mesurer la quantité absolue de 12C et de 13C, le spectromètre de masse mesure en fait le rapport 13C /12C et le compare à un étalon international (dont on connaît le rapport 13C /12C). Bien que théoriquement, chacun des éléments du tableau périodique possède un ou plusieurs isotopes stables, les plus couramment utilisés sont  l’hydrogène (2H/1H), le carbone (13C/12C), l’azote (15N/14N), l’oxygène (18O/16O) et le soufre (34S/32S). Les compositions isotopiques de l’hydrogène et de l’oxygène sont généralement utilisées dans le but de comprendre le système hydrologique, c’est-à-dire les processus d’évaporation dans les lacs et rivières. Les compositions isotopiques du carbone et de l’azote sont généralement utilisées pour comprendre les différents processus qui s’opèrent dans la chaine alimentaire, autant chez les animaux que chez l’humain. La composition isotopique du soufre est surtout utilisée lors d’études sur les bactéries ainsi que pour l’étude des roches. Dans le cas précis de l’étude des gaz à effets de serre, on utilise les isotopes stables du carbone à la fois comme traceur des sources du CO2 présent dans le réservoir et comme outil d’estimation de flux de CO2 à l’interface eau-air du réservoir hydroélectrique.

 



Figure 1. Schéma d’un spectromètre de masse à ratios isotopiques à source gazeuse.


  

 
Figure 2. Photo d’un spectromètre de masse à ratios isotopiques à source gazeuse

Jean-Francois Hélie
helie.jean-francois@uqam.ca

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