Isotopes du thorium

Le thorium (Th) comme tous les éléments de numéro atomique supérieur à celui du plomb, ne possède aucun isotope stable. Cependant, il possède six isotopes présent dans la nature et l'un d'eux, le thorium 232 (²³²Th), est relativement stable, avec une demi-vie de 14,05 milliards d'années, soit bien plus que l'âge de la Terre, et même légèrement plus que l'âge de l'univers. Cet isotope représente d'ailleurs la quasi-totalité du thorium présent dans la nature, celui-ci étant donc considéré comme un élément mononucléidique. Le thorium possède une composition isotopique terrestre caractéristique et une masse atomique standard peut donc lui être attribuée : 232.03806(2) u

30 radioisotopes ont été caractérisés, avec un nombre de masse variant entre 209^[1] et 238, les plus stables étant, après ²³²Th, ²³⁰Th avec une demi-vie de 75 380 années, ²²⁹Th (7 340 ans) et ²²⁸Th (1,92 ans). Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 30 jours et la plupart, inférieure à 10 minutes. Un isotope, ²²⁹Th, possède un isomère nucléaire (ou état métastable) avec une énergie d'excitation remarquablement basse^[2], mesurée récemment à 7,6 ± 0,5 eV^[3].

Isotopes remarquables

Thorium 228

Le thorium 228 (²²⁸Th) est un l'isotope du thorium possédant 138 neutrons. Il fut nommé radioiothorium, du fait de sa présence dans la chaîne de désintégration du thorium 232. Il a une demi-vie de 1,9116 ans. Il se désintègre principalement par émission α pour donner le radium 224. De façon très occasionnelle (10^-13), il peut aussi se désintégrer par émission de cluster, en émettant un noyau d'plomb 208, isotope stable. C'est un isotope-fils de l'uranium 232 (²³²U), produit par émission α.

²²⁸Th a une masse atomique de 228,0287411 g·mol^-1

Thorium 229

Le thorium 229 (²²⁹Th) est un l'isotope du thorium possédant 139 neutrons. Il se désintègre par émission α pour former le ²²⁵Ra avec une demi-vie 7340 ans.

²²⁹Th est produit par désintégration α de l'uranium 233 et il est principalement utilisé pour former l'actinium 225 et le bismuth 213 utilisés en médecine nucléaire^[4].

Thorium 229m

Article détaillé : Thorium 229m.

La spectrométrie gamma a indiqué que le thorium 229 avait un isomère nucléaire avec une énergie d'excitation remarquablement basse, faisant même de cet isomère nucléaire celui avec l'énergie la plus basse connue. Depuis quelques années, l'énergie admise de cet état est de 3,5 eV, avec une incertitude de 1,0 eV^[5].

Ceci rend sans doute possible son excitation en utilisant des lasers dans la gamme V-UV. Cet isomère pourrait avoir des applications, dans le stockage d'énergie haute densité^[6], dans l'horlogerie de précision^[7], comme qubit dans le cadre de l'informatique quantique, ou pour tester l'effet de l'environnement chimique sur le taux de désintégration nucléaire^[8].

La demie-vie de cet état excité est inconnue, mais elle est estimée à 5 heures. Si cet isomère devait se désintégrer, il produirait un rayon gamma (défini par son origine et non par sa longueur d'onde) dans le domaine de l'ultraviolet. On a pensé un temps avoir détecté ces « rayons gamma ultraviolets », mais cette observation s'est révélé être en réalité être due à de l'azote gazeux excité par des émissions à haute énérgie^[9].

Des mesures récentes avec des rayons gamma à haute énergie donne une énergie pour l'état 3/2+ de 7,6 eV, avec une incertitude de 0,5 eV ^[3].

Thorium 230

Le thorium 230 (²³⁰Th) est un l'isotope du thorium possédant 140 neutrons. Il fut historiquement appelée ionium (avec pour symbole chimique Io) lors de sa découverte dans la chaîne de désintégration de l'uranium 238, avant qu'on réalise que l'ionium et le thorium étaient un seul et unique élément. Il se désintègre principalement par émission α en radon 226 avec une demi-vie 75 380 ans.

²³⁰Th peut être utilisé pour dater les coraux et mesurer les courants marins.

Thorium 231

Le thorium 231 (²³¹Th) est un l'isotope du thorium possédant 141 neutrons. C'est un produit de désintégration de l'uranium 235. Il se désintègre principalement par désintégration β^- pour former le protactinium 231 avec une énergie de 0,39 MeV. Du fait de sa courte demi-vie, 25,5 heures, on ne le trouve qu'en très petite quantité sur Terre. Sa masse atomique est de 231,0363043 g·mol^-1.

Thorium 232

Article détaillé : Thorium 232.

Le thorium 232 (²³²Th) est un l'isotope du thorium possédant 142 neutrons. Isotope le plus stable du thorium, il est considéré comme presque stable, sa demi-vie étant légèrement supérieure à l'âge de l'univers. Il est à l'origine de la chaîne de désintégration 4n + 0 qui débute par sa très lente désintégration α en radium 228 et se termine par la formation du plomb 208.

Thorium 233

Le thorium 233 (²³³Th) est un l'isotope du thorium possédant 143 neutrons. ²³³Th se désintègre par désintégration β^- pour former le protactinium 233 avec une demi-vie de 21,83 minutes^[10].

Thorium 234

Le thorium 234 (²³⁴Th) est un l'isotope du thorium possédant 144 neutrons. Il est habituellement produit par fission spontanée de l'uranium 238.

Il se désintègre par désintégration β^- pour former le protactinium 234 avec une demi-vie de 24,1 jours. ²³⁴Th a une masse atomique d'environ 234.0436 amu, et une énergie de désintégration de 270 KeV.

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Nom historique	Z (p)	N (n)	masse isotopique	demi-vie	mode(s) de désintégration[11],[n 1]	isotope(s)-fils[n 2]	spin nucléaire	composition isotopique représentative (fraction molaire)	gamme de variations naturelles (fraction molaire)
		énergie d'excitation
209Th		90	119	209,01772(11)	7(5) ms [3,8(+69-15)]			5/2-#
210Th		90	120	210,015075(27)	17(11) ms [9(+17-4) ms]	α	206Ra	0+
						β+ (rare)	210Ac
211Th		90	121	211,01493(8)	48(20) ms [0,04(+3-1) s]	α	207Ra	5/2-#
						β+ (rare)	211Ac
212Th		90	122	212,01298(2)	36(15) ms [30(+20-10) ms]	α (99,7%)	208Ra	0+
						β+ (0,3%)	212Ac
213Th		90	123	213,01301(8)	140(25) ms	α	209Ra	5/2-#
						β+ (rare)	213Ac
214Th		90	124	214,011500(18)	100(25) ms	α	210Ra	0+
215Th		90	125	215,011730(29)	1,2(2) s	α	211Ra	(1/2-)
216Th		90	126	216,011062(14)	26,8(3) ms	α (99,99%)	212Ra	0+
						β+ (0,006%)	216Ac
216m1Th		2042(13) keV			137(4) µs			(8+)
216 m2Th		2637(20) keV			615(55) ns			(11-)
217Th		90	127	217,013114(22)	240(5) µs	α	213Ra	(9/2+)
218Th		90	128	218,013284(14)	109(13) ns	α	214Ra	0+
219Th		90	129	219,01554(5)	1,05(3) µs	α	215Ra	9/2+#
						β+ (10−7%)	219Ac
220Th		90	130	220,015748(24)	9,7(6) µs	α	216Ra	0+
						CE (2×10−7%)	220Ac
221Th		90	131	221,018184(10)	1,73(3) ms	α	217Ra	(7/2+)
222Th		90	132	222,018468(13)	2,237(13) ms	α	218Ra	0+
						CE (1,3×10−8%)	222Ac
223Th		90	133	223,020811(10)	0,60(2) s	α	219Ra	(5/2)+
224Th		90	134	224,021467(12)	1,05(2) s	α	220Ra	0+
						β+β+ (rare)	224Ra
225Th		90	135	225,023951(5)	8,72(4) min	α (90%)	221Ra	(3/2)+
						CE (10%)	225Ac
226Th		90	136	226,024903(5)	30,57(10) min	α	222Ra	0+
227Th	Radioactinium	90	137	227,0277041(27)	18,68(9) j	α	223Ra	1/2+	Trace[n 3]
228Th	Radiothorium	90	138	228,0287411(24)	1,9116(16) a	α	224Ra	0+	Trace[n 4]
						DC (1,3×10−11%)	208Pb 20O
229Th		90	139	229,031762(3)	7,34(16)×103 a	α	225Ra	5/2+
229mTh		0,0076(5) keV			70(50) h	TI	229Th	3/2+
230Th[n 5]	Ionium	90	140	230,0331338(19)	7,538(30)×104 a	α	226Ra	0+	Trace[n 6]
						DC (5,6×10−11%)	206Hg 24Ne
						FS (5×10−11%)	(Varié)
231Th	Uranium Y	90	141	231,0363043(19)	25,52(1) h	β-	231Pa	5/2+	Trace[n 3]
						α (10−8%)	227Ra
232Th[n 7]	Thorium	90	142	232,0380553(21)	1,405(6)×1010 a	α	228Ra	0+	1,0000
						β-β- (rare)	232U
						FS (1,1×10−9%)	(varié)
						DC (2,78×10−10%)	182Yb 26Ne 24Ne
233Th		90	143	233,0415818(21)	21,83(4) min	β-	233Pa	1/2+
234Th	Uranium X1	90	144	234,043601(4)	24,10(3) j	β-	234mPa	0+	Trace[n 6]
235Th		90	145	235,04751(5)	7,2(1) min	β-	235Pa	(1/2+)#
236Th		90	146	236,04987(21)#	37,5(2) min	β-	236Pa	0+
237Th		90	147	237,05389(39)#	4,8(5) min	β-	237Pa	5/2+#
238Th		90	148	238,0565(3)#	9,4(20) min	β-	238Pa	0+

1. ↑ Abréviations :
   DC : Désintégration par émission de cluster
   CE : capture électronique
   TI : transition isomérique
   FS : Fission spontanée
2. ↑ Isotopes stables en gras
3. ↑ ^{a et b} Produit de désintégration intermédiaire de l'²³⁵U
4. ↑ Produit de désintégration intermédiaire du ²³²Th
5. ↑ Utilisé dans la datation à l'uranium-thorium
6. ↑ ^{a et b} Produit de désintégration intermédiaire de l'²³⁸U
7. ↑ Radioisotope primordial

Remarques

• 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.

Notes et références

1. ↑ H. Ikezoe et al., « alpha decay of a new isotope of ²⁰⁹Th », dans Physical Review C, vol. 54, n^o 4, 1996, p. 2043 [lien DOI] 
2. ↑ E. Ruchowska et al., « Nuclear structure of ²²⁹Th », dans Phys. Rev. C, vol. 73, n^o 4, 2006, p. 044326 [lien DOI] 
3. ↑ ^{a et b} B. R. Beck et al., « Energy splitting in the ground state doublet in the nucleus ²²⁹Th », dans Physical Review Letters, vol. 98, n^o 14, 2007-04-06, p. 142501 [lien PMID, lien DOI] 
4. ↑ Report to Congress on the extraction of medical isotopes from U-233. U.S. Department of Energy. March 2001
5. ↑ Helmer, R. G.; Reich, C. W., « An Excited State of Th-229 at 3.5 eV », dans Physical Review C, vol. 49, n^o 4, 1994, p. 1845–1858 [lien DOI] 
6. ↑ Poppe, C. H.; Weiss, M. S.; Anderson, J. D. (1992). "Nuclear isomers as ultra-high-energy-density materials". Air Force Meeting on High Energy Density Materials, Lancaster, CA. 
7. ↑ E. Peik and C. Tamm, « Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in ²²⁹Th », dans Europhysics Letters, vol. 61, n^o 2, 2003-01-15, p. 181–186 [lien DOI] 
8. ↑ Tkalya, Eugene V.; Zherikhin, Alexander N. ;Zhudov, Valerii I., « Decay of the low-energy nuclear isomer ²²⁹Th^m (3/2⁺, 3.5 +-1.0-eV) in solids (dielectrics and metals): A new scheme of experimental research », dans Physical Review C, vol. 61, n^o 6, 2000, p. 064308 [lien DOI] 
9. ↑ Shaw, R. W.; Young, J. P.; Cooper, S. P.; Webb, O. F., « Spontaneous Ultraviolet Emission from ²³³Uranium/²²⁹Thorium Samples », dans Physical Review Letters, vol. 82, n^o 6, 1999, p. 1109–1111 [lien DOI] 
10. ↑ Audi Georges, « The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties », dans Nuclear Physics A, Atomic Mass Data Center, vol. 729, 2003, p. 3–128 [lien DOI] 
11. ↑ http://www.nucleonica.net/unc.aspx

• 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-vies, spins 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 thorium » (voir la liste des auteurs)

Voir aussi

• Index des pages d'isotopes