Etymologie et Histoire

Mot créé en 1913 par le physicien et chimiste anglais Soddy, composé savant du grec isos "égal, le même" et topos "lieu, place", proprement "qui occupe la même place", ici dans la classification de Mendeleïev, avec le même numéro atomique. Le morphème initial iso est très productif dans le vocabulaire savant (isomère, isotherme, isobare etc...) En français isotope est attesté dès 1914 (Le Radium, déc)

Définitions existantes

• Le Robert :
  Chacun des éléments de même numéro atomique (occupant la même place dans la classification de Mendeleïev), mais de masse atomique différente.
• Glossaire International d'Hydrologie :
  Traceur isotopique : traceur naturel (présent dans l'eau), qui est un isotope d'un des éléments présents dans l'eau.
• Dictionnaire de l'eau (1981) :
  Se dit d'éléments ne différant que par le nombre de neutrons et présentant des propriétés chimiques presque identiques, ce qui conduit à les placer dans une même case de la classification périodique, donc à leur affecter le même numéro atomique.
• Dictionnaire français d'Hydrogéologie (1977):
  Isotope du milieu: Isotope d'origine naturelle ou artificielle (résultant d'explosions nucléaires), présent dans l'environnement naturel à une échelle globale ou régionale, sans pouvoir être volontairement modifié, et pouvant servir de marqueur de l'eau.

Définition proposée

Commentaires

• Certains isotopes sont radioactifs, c'est à dire qu'ils se transforment en isotopes d'un autre élément (par opposition, les autres isotopes sont dits "stables"). Les isotopes radioactifs existent naturellement et proviennent soit des roches (isotopes de l'Uranium, du Thorium, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb etc.., soit de synthèses dans l'atmosphère par l'action du rayonnement cosmique (Tritium, Radiocarbone) sur l'azote, l'oxygène et l'argon. Ces isotopes proviennent aussi du produit de réactions nucléaires artificielles (explosions et centrales nucléaires) et passent dans l'atmosphère et les effluents liquides.
• Isotopes dans l'eau On considère séparément :
  1. les isotopes de la molécule d'eau, soit, pour l'hydrogène: ¹H (environ 99,99%), ²H (ou D: deutérium, environ 1/6400), ³H ou tritium (10^-18 ou moins dans les eaux anciennes); ¹⁶O (99,8%), ¹⁷O (1/1500), ¹⁸O (1/500); ¹⁷O est très rarement dosé.
  2. les isotopes appartenant à des substances dissoutes dans l'eau, en particulier HCO₃ (utilisation des isotopes ¹²C (99%), ¹³C (env.1%), ¹⁴C (env. 10^-12 pour les eaux récentes); SO₄, ³²S (env.4%), seul isotope rare dosé); NO₃ (¹⁴N, env. 99,7%, ¹⁵N, env. O,3%), etc...
• Deux caractéristiques isotopiques sont utilisées en hydrologie :
  1. le fait que certains isotopes sont radioactifs permet la datation d'une masse d'eau isolée: le tritium pour H₂O elle même et ¹⁴C pour HCO₃. Si la teneur Q0 en ces isotopes est supposée connue en un instant t0 le temps écoulé au temps t de la mesure est donné par la quantité d'isotope radioactif disparu depuis depuis t0 : Q-Q0 = e**(-k(t-t0)), où k est une constante caractéristique de l'isotope radioactif, mieux connue au travers de la "période radioactive" (0,693/k), qui est de 12,7 ans pour ³H et 5640 ans pour ¹⁴C. D'autres isotopes peuvent être utilisés (¹⁰Be, ³⁷Ar etc...);
  2. pour tous les isotopes, le comportement physique est modifié par la substitution d'un isotope lourd à un isotope léger, dans les phénomènes d'évaporation, de condensation, d'échange avec l'encaissant etc.. Par exemple les molécules H₂¹⁸O et HDO s'évaporent moins vite que H₂¹⁶O, ce qui fait que l'eau restante s'en trouve enrichie.
• Applications:
  • Datation de l'eau d'aquifères moyennant certaines précautions théoriques, entre zéro et 50 ans avec le tritium et de quelques siècles à 100 000 ans avec le ¹⁴C.
  • Détermination de l'origine de l'eau des aquifères (les eaux météoriques sont signées par leur teneur en isotopes stables selon leur origine géographique et leur saison) ; détermination de mélanges variés, entre eaux de surface, profondes et éventuellement magmatiques; importance de l'évaporation et/ou de l'échange avec l'encaissant (utilisation couplée de l'abondance des isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène).
  • Un enrichissement artificiel de l'eau en un isotope donné (stable ou radioactif) apporte un marquage idéal (soumis à autorisation pour les éléments radioactifs) du fait que le marqueur ainsi formé a un comportement plus proche de celui de l'aquifère qu'aucun traceur chimique. Dans tous les cas les mesures doivent être effectuées par des laboratoires spécialisés, et restent relativement onéreuses, spécialement pour les datations.

Références :

• Isotopes guidebook, IAEA (Vienne)
• Létolle R. et al., 1993. Les isotopes stables. ADIT (Strasbourg).

R. Letolle, novembre 1996