Isotope stable

Un isotope stable d'un élément chimique est un isotope qui n'a pas de radioactivité décelable^[a]. Au 30 juin 2009, 256 nucléides correspondant à 80 éléments étaient considérés comme stables, bien que le calcul pour un nombre significatif d'entre eux suggère qu'ils devraient connaître certains modes de désintégration. Les éléments 43 et 61 — respectivement le technétium et le prométhium — n'ont aucun isotope stable ; le technétium 99 est présent naturellement à l'état de traces. Cette liste est sans doute amenée à se réduire au fur et à mesure que le seuil de sensibilité des expériences destinées à établir la radioactivité de ces nucléides diminue.

Stabilité des noyaux atomiques

Article principal : Vallée de stabilité.

La physique des noyaux atomiques est gouvernée par les trois interactions fondamentales du modèle standard de la physique des particules : l'interaction forte, l'interaction faible et l'interaction électromagnétique. Chaque noyau atomique est défini par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient, ainsi que par son énergie totale, l'ensemble définissant les différents arrangements des particules selon lesquels l'énergie totale du système peut être distribuée. Plus il y a d'arrangements possibles et plus le système est stable : l'état présentant le plus grand nombre d'arrangements possibles est appelé état fondamental ; c'est celui vers lequel tendent tous les autres états de ce système.

Toute transition d'un état du système vers un autre requiert une énergie d'activation, fournie, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations du vide quantique. Lorsque de telles fluctuations suffisent à faire basculer un noyau atomique d'un état donné vers un état d'énergie inférieure, ce noyau est dit instable : il peut, selon les cas, émettre des photons énergétiques (radioactivité γ), des électrons ou des positrons avec des neutrinos électroniques (radioactivité β), des noyaux d'hélium 4 (radioactivité α), ou encore se briser par fission spontanée :

La radioactivité γ intervient lors de la transition d'un état excité du noyau vers un état excité d'énergie inférieure ou vers son état fondamental ; cela s'observe notamment avec les isomères nucléaires, ou à la suite d'une désintégration β ou α ou d'une fission spontanée, les produits de fission étant généralement excités.
La radioactivité β, gouvernée par l'interaction faible, concerne les noyaux possédant un excédant de protons (désintégration β⁺) ou de neutrons (désintégration β⁻).
La radioactivité α, gouvernée par l'interaction forte ainsi que par l'électromagnétisme, concerne essentiellement les gros noyaux (dès environ 60 protons et 85 neutrons), qui tendent à éliminer des noyaux d'hélium 4 pour s'alléger et gagner en stabilité.
La fission spontanée est une « explosion » des très gros noyaux en deux ou trois morceaux, accompagnés de neutrons.

Lorsqu'en revanche les fluctuations du vide ne déclenchent pas de changement d'état du noyau atomique, ce dernier est dit stable et ne présente donc aucune radioactivité.

Liste des isotopes stables

Élément	Z	N	A	Isotope	Mode de désintégration calculé mais non encore observé
Hydrogène	1	0	1	Protium
Hydrogène	1	1	2	Deutérium
Hélium	2	1	3	Hélium 3
Hélium	2	2	4	Hélium 4
Lithium	3	3	6	Lithium 6
Lithium	3	4	7	Lithium 7
Béryllium	4	5	9	Béryllium 9
Bore	5	5	10	Bore 10
Bore	5	6	11	Bore 11
Carbone	6	6	12	Carbone 12
Carbone	6	7	13	Carbone 13
Azote	7	7	14	Azote 14
Azote	7	8	15	Azote 15
Oxygène	8	8	16	Oxygène 16
Oxygène	8	9	17	Oxygène 17
Oxygène	8	10	18	Oxygène 18
Fluor	9	10	19	Fluor 19
Néon	10	10	20	Néon 20
Néon	10	11	21	Néon 21
Néon	10	12	22	Néon 22
Sodium	11	12	23	Sodium 23
Magnésium	12	12	24	Magnésium 24
Magnésium	12	13	25	Magnésium 25
Magnésium	12	14	26	Magnésium 26
Aluminium	13	14	27	Aluminium 27
Silicium	14	14	28	Silicium 28
Silicium	14	15	29	Silicium 29
Silicium	14	16	30	Silicium 30
Phosphore	15	16	31	Phosphore 31
Soufre	16	16	32	Soufre 32
Soufre	16	17	33	Soufre 33
Soufre	16	18	34	Soufre 34
Soufre	16	20	36	Soufre 36
Chlore	17	18	35	Chlore 35
Chlore	17	20	37	Chlore 37
Argon	18	18	36	Argon 36	double capture électronique
Argon	18	20	38	Argon 38
Argon	18	22	40	Argon 40
Potassium	19	20	39	Potassium 39
Potassium	19	22	41	Potassium 41
Calcium	20	20	40	Calcium 40	double capture électronique
Calcium	20	22	42	Calcium 42
Calcium	20	23	43	Calcium 43
Calcium	20	24	44	Calcium 44
Calcium	20	26	46	Calcium 46	double désintégration bêta
Scandium	21	24	45	Scandium 45
Titane	22	24	46	Titane 46
Titane	22	25	47	Titane 47
Titane	22	26	48	Titane 48
Titane	22	27	49	Titane 49
Titane	22	28	50	Titane 50
Vanadium	23	28	51	Vanadium 51
Chrome	24	26	50	Chrome 50	double capture électronique
Chrome	24	28	52	Chrome 52
Chrome	24	29	53	Chrome 53
Chrome	24	30	54	Chrome 54
Manganèse	25	30	55	Manganèse 55
Fer	26	28	54	Fer 54	double capture électronique
Fer	26	30	56	Fer 56
Fer	26	31	57	Fer 57
Fer	26	32	58	Fer 58
Cobalt	27	32	59	Cobalt 59
Nickel	28	30	58	Nickel 58	double capture électronique
Nickel	28	32	60	Nickel 60
Nickel	28	33	61	Nickel 61
Nickel	28	34	62	Nickel 62
Nickel	28	36	64	Nickel 64
Cuivre	29	34	63	Cuivre 63
Cuivre	29	36	65	Cuivre 65
Zinc	30	34	64	Zinc 64	double capture électronique
Zinc	30	36	66	Zinc 66
Zinc	30	37	67	Zinc 67
Zinc	30	38	68	Zinc 68
Zinc	30	40	70	Zinc 70	double désintégration bêta
Gallium	31	38	69	Gallium 69
Gallium	31	40	71	Gallium 71
Germanium	32	38	70	Germanium 70
Germanium	32	40	72	Germanium 72
Germanium	32	41	73	Germanium 73
Germanium	32	42	74	Germanium 74
Arsenic	33	42	75	Arsenic 75
Sélénium	34	40	74	Sélénium 74	double capture électronique
Sélénium	34	42	76	Sélénium 76
Sélénium	34	43	77	Sélénium 77
Sélénium	34	44	78	Sélénium 78
Sélénium	34	46	80	Sélénium 80	double désintégration bêta
Brome	35	44	79	Brome 79
Brome	35	46	81	Brome 81
Krypton	36	44	80	Krypton 80
Krypton	36	46	82	Krypton 82
Krypton	36	47	83	Krypton 83
Krypton	36	48	84	Krypton 84
Krypton	36	50	86	Krypton 86	double désintégration bêta
Rubidium	37	48	85	Rubidium 85
Strontium	38	46	84	Strontium 84	double capture électronique
Strontium	38	48	86	Strontium 86
Strontium	38	49	87	Strontium 87
Strontium	38	50	88	Strontium 88
Yttrium	39	50	89	Yttrium 89
Zirconium	40	50	90	Zirconium 90
Zirconium	40	51	91	Zirconium 91
Zirconium	40	52	92	Zirconium 92
Zirconium	40	54	94	Zirconium 94	double désintégration bêta
Niobium	41	52	93	Niobium 93
Molybdène	42	50	92	Molybdène 92	double capture électronique
Molybdène	42	52	94	Molybdène 94
Molybdène	42	53	95	Molybdène 95
Molybdène	42	54	96	Molybdène 96
Molybdène	42	55	97	Molybdène 97
Molybdène	42	56	98	Molybdène 98	double désintégration bêta
Ruthénium	44	52	96	Ruthénium 96	double capture électronique
Ruthénium	44	54	98	Ruthénium 98
Ruthénium	44	55	99	Ruthénium 99
Ruthénium	44	56	100	Ruthénium 100
Ruthénium	44	57	101	Ruthénium 101
Ruthénium	44	58	102	Ruthénium 102
Ruthénium	44	60	104	Ruthénium 104	double désintégration bêta
Rhodium	45	58	103	Rhodium 103
Palladium	46	56	102	Palladium 102	double capture électronique
Palladium	46	58	104	Palladium 104
Palladium	46	59	105	Palladium 105
Palladium	46	60	106	Palladium 106
Palladium	46	62	108	Palladium 108
Palladium	46	64	110	Palladium 110	double désintégration bêta
Argent	47	60	107	Argent 107
Argent	47	62	109	Argent 109
Cadmium	48	58	106	Cadmium 106	double capture électronique
Cadmium	48	60	108	Cadmium 108	double capture électronique
Cadmium	48	62	110	Cadmium 110
Cadmium	48	63	111	Cadmium 111
Cadmium	48	64	112	Cadmium 112
Cadmium	48	66	114	Cadmium 114	double désintégration bêta
Indium	49	64	113	Indium 113
Étain	50	62	112	Étain 112	double capture électronique
Étain	50	64	114	Étain 114
Étain	50	65	115	Étain 115
Étain	50	66	116	Étain 116
Étain	50	67	117	Étain 117
Étain	50	68	118	Étain 118
Étain	50	69	119	Étain 119
Étain	50	70	120	Étain 120
Étain	50	72	122	Étain 122	double désintégration bêta
Étain	50	74	124	Étain 124	double désintégration bêta
Antimoine	51	70	121	Antimoine 121
Antimoine	51	72	123	Antimoine 123
Tellure	52	68	120	Tellure 120	double capture électronique
Tellure	52	70	122	Tellure 122
Tellure	52	71	123	Tellure 123	capture électronique
Tellure	52	72	124	Tellure 124
Tellure	52	73	125	Tellure 125
Tellure	52	74	126	Tellure 126
Iode	53	74	127	Iode 127
Xénon	54	72	126	Xénon 126	double capture électronique
Xénon	54	74	128	Xénon 128
Xénon	54	75	129	Xénon 129
Xénon	54	76	130	Xénon 130
Xénon	54	77	131	Xénon 131
Xénon	54	78	132	Xénon 132
Xénon	54	80	134	Xénon 134	double désintégration bêta
Xénon	54	82	136	Xénon 136	double désintégration bêta
Césium	55	78	133	Césium 133
Baryum	56	74	130	Baryum 130	double capture électronique
Baryum	56	76	132	Baryum 132	double capture électronique
Baryum	56	78	134	Baryum 134
Baryum	56	79	135	Baryum 135
Baryum	56	80	136	Baryum 136
Baryum	56	81	137	Baryum 137
Baryum	56	82	138	Baryum 138
Lanthane	57	82	139	Lanthane 139
Cérium	58	78	136	Cérium 136	double capture électronique
Cérium	58	80	138	Cérium 138	double capture électronique
Cérium	58	82	140	Cérium 140
Cérium	58	84	142	Cérium 142	radioactivité α, double désintégration bêta
Praséodyme	59	82	141	Praséodyme 141
Néodyme	60	82	142	Néodyme 142
Néodyme	60	83	143	Néodyme 143	radioactivité α
Néodyme	60	85	145	Néodyme 145	radioactivité α
Néodyme	60	86	146	Néodyme 146	radioactivité α, double désintégration bêta
Néodyme	60	88	148	Néodyme 148	radioactivité α, double désintégration bêta
Samarium	62	82	144	Samarium 144	double capture électronique
Samarium	62	87	149	Samarium 149	radioactivité α
Samarium	62	88	150	Samarium 150	radioactivité α
Samarium	62	90	152	Samarium 152	radioactivité α
Samarium	62	92	154	Samarium 154	double désintégration bêta
Europium	63	90	153	Europium 153	radioactivité α
Gadolinium	64	90	154	Gadolinium 154	radioactivité α
Gadolinium	64	91	155	Gadolinium 155	radioactivité α
Gadolinium	64	92	156	Gadolinium 156
Gadolinium	64	93	157	Gadolinium 157
Gadolinium	64	94	158	Gadolinium 158
Gadolinium	64	96	160	Gadolinium 160	double désintégration bêta
Terbium	65	94	159	Terbium 159
Dysprosium	66	90	156	Dysprosium 156	radioactivité α, double capture électronique
Dysprosium	66	92	158	Dysprosium 158	radioactivité α, double capture électronique
Dysprosium	66	94	160	Dysprosium 160	radioactivité α
Dysprosium	66	95	161	Dysprosium 161	radioactivité α
Dysprosium	66	96	162	Dysprosium 162	radioactivité α
Dysprosium	66	97	163	Dysprosium 163
Dysprosium	66	98	164	Dysprosium 164
Holmium	67	98	165	Holmium 165	radioactivité α
Erbium	68	94	162	Erbium 162	radioactivité α, double capture électronique
Erbium	68	96	164	Erbium 164	radioactivité α, double capture électronique
Erbium	68	98	166	Erbium 166	radioactivité α
Erbium	68	99	167	Erbium 167	radioactivité α
Erbium	68	100	168	Erbium 168	radioactivité α
Erbium	68	102	170	Erbium 170	radioactivité α, double désintégration bêta
Thulium	69	100	169	Thulium 169	radioactivité α
Ytterbium	70	98	168	Ytterbium 168	radioactivité α, double capture électronique
Ytterbium	70	100	170	Ytterbium 170	radioactivité α
Ytterbium	70	101	171	Ytterbium 171	radioactivité α
Ytterbium	70	102	172	Ytterbium 172	radioactivité α
Ytterbium	70	103	173	Ytterbium 173	radioactivité α
Ytterbium	70	104	174	Ytterbium 174	radioactivité α
Ytterbium	70	106	176	Ytterbium 176	radioactivité α, double désintégration bêta
Lutécium	71	104	175	Lutécium 175	radioactivité α
Hafnium	72	104	176	Hafnium 176	radioactivité α
Hafnium	72	105	177	Hafnium 177	radioactivité α
Hafnium	72	106	178	Hafnium 178	radioactivité α
Hafnium	72	107	179	Hafnium 179	radioactivité α
Hafnium	72	108	180	Hafnium 180	radioactivité α
Tantale	73	107	180	Tantale 180m	radioactivité α, radioactivité β, capture électronique, transition isomérique
Tantale	73	108	181	Tantale 181	radioactivité α
Tungstène	74	108	182	Tungstène 182	radioactivité α
Tungstène	74	109	183	Tungstène 183	radioactivité α
Tungstène	74	110	184	Tungstène 184	radioactivité α
Tungstène	74	112	186	Tungstène 186	radioactivité α, double désintégration bêta
Rhénium	75	110	185	Rhénium 185	radioactivité α
Osmium	76	108	184	Osmium 184	radioactivité α, double capture électronique
Osmium	76	111	187	Osmium 187	radioactivité α
Osmium	76	112	188	Osmium 188	radioactivité α
Osmium	76	113	189	Osmium 189	radioactivité α
Osmium	76	114	190	Osmium 190	radioactivité α
Osmium	76	116	192	Osmium 192	radioactivité α, double désintégration bêta
Iridium	77	114	191	Iridium 191	radioactivité α
Iridium	77	116	193	Iridium 193	radioactivité α
Platine	78	114	192	Platine 192	radioactivité α
Platine	78	116	194	Platine 194	radioactivité α
Platine	78	117	195	Platine 195	radioactivité α
Platine	78	118	196	Platine 196	radioactivité α
Platine	78	120	198	Platine 198	radioactivité α, double désintégration bêta
Or	79	118	197	Or 197	radioactivité α
Mercure	80	116	196	Mercure 196	radioactivité α, double capture électronique
Mercure	80	118	198	Mercure 198	radioactivité α
Mercure	80	119	199	Mercure 199	radioactivité α
Mercure	80	120	200	Mercure 200	radioactivité α
Mercure	80	121	201	Mercure 201	radioactivité α
Mercure	80	122	202	Mercure 202	radioactivité α
Mercure	80	124	204	Mercure 204	double désintégration bêta
Thallium	81	122	203	Thallium 203	radioactivité α
Thallium	81	124	205	Thallium 205	radioactivité α
Plomb	82	122	204	Plomb 204	radioactivité α
Plomb	82	124	206	Plomb 206	radioactivité α
Plomb	82	125	207	Plomb 207	radioactivité α
Plomb	82	126	208	Plomb 208	radioactivité α

Le plus lourd des isotopes stables est le plomb 208, qui a la particularité d'être « doublement magique », avec un nombre magique à la fois de protons et de neutrons.

Isotopes quasi stables

Les isotopes des éléments du milieu naturel ne se limitent pas à leurs seuls isotopes stables : certains isotopes instables mais à très longue période radioactive — parfois supérieure de plusieurs ordres de grandeur à l'âge de l'Univers — ont une abondance naturelle significative :

ils peuvent représenter la forme dominante de certains éléments, comme c'est typiquement le cas de l'indium et du rhénium avec respectivement le ¹¹⁵In (avec une période de 441 mille milliards d'années par radioactivité β et qui constitue 95,7 % de l'indium terrestre) et le ¹⁸⁷Re (avec une période de 43,5 milliards d'années par radioactivité β et qui constitue 62,4 % du rhénium terrestre) ;
les deux isotopes les plus abondants du tellure sont également radioactifs, mais avec des périodes tellement longues que leur radioactivité devient à peine mesurable : le ¹³⁰Te et le ¹²⁸Te, avec respectivement 7,9×10²⁰ et 2,2×10²⁴ années (cent soixante mille milliards de fois l'âge de l'Univers) par double désintégration bêta ;
le potassium 40 représente 0,0117 % du potassium terrestre et est utilisé pour la datation de certaines roches riches en potassium ; il constitue la principale source de radioactivité des organismes vivants ;
le calcium 48 représente 0,187 % du calcium terrestre, avec une radioactivité infime par double désintégration bêta, selon une période radioactive de 4,3^+3.8
_−2.5×10¹⁹ années, malgré son fort excès en neutrons. Il est « doublement magique », et très utilisé en physique nucléaire pour la synthèse d'éléments superlourds ;
certains éléments dépourvus d'isotope stable ont néanmoins une abondance naturelle non négligeable, notamment le bismuth, le thorium et l'uranium, chacun ayant un isotope dont la période excède le milliard d'années (celle du bismuth 209 est de 1,9×10¹⁹ années) ;
une vingtaine d'autres isotopes quasi stables sont présents dans le milieu naturel : vanadium 50 ; germanium 76 ; sélénium 82 ; rubidium 87 ; zirconium 94 ; zirconium 96 ; molybdène 100 ; cadmium 113 ; cadmium 116 ; lanthane 138 ; néodyme 144 ; samarium 147 ; samarium 148 ; néodyme 150 ; europium 151 ; gadolinium 152 ; hafnium 174 ; lutécium 176 ; tungstène 180 ; osmium 186 ; platine 190.

Notes et références

↑ Dans le jargon des géochimistes, et notamment dans l'expression « géochimie des isotopes stables », le terme « isotope stable » est utilisé avec un sens plus restreint, celui d'isotope à la fois stable et non radiogénique.