Isotopes du thorium

Le thorium (Th, numéro atomique 90) ne possède aucun isotope stable, comme tous les éléments de numéro atomique supérieur à celui du plomb (n° 82). Cependant, il possède six isotopes présents 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 : 232,038 06(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 pour 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 notables

Thorium naturel

Le thorium naturel est composé presque uniquement du radioisotope primordial ²³²Th. Le ²²⁸Th est son descendant qui, en équilibre séculaire avec le ²³²Th, a une abondance relative d'environ 1,4 × 10⁻¹⁰.

Les isotopes ²³⁴Th et ²³⁰Th sont descendants de l'uranium 238, lui-même environ trois fois moins abondant sur Terre que le thorium 232. ²³⁴Th a une demi-vie trop courte pour être significativement quantifiable, ²³⁰Th a une abondance proche de 1,7 × 10⁻⁵ fois celle de l'uranium 238. C'est le deuxième isotope le plus abondant sur Terre.

Les isotopes ²²⁷Th et ²³¹Th sont descendants de l'uranium 235.

En raison de leur présence dans les chaînes de désintégration majeures, les isotopes naturels du thorium ont reçu des appellations historiques, aujourd'hui désuètes.

Isotope	Abondance approximative (fraction molaire)^[4]	Origine	Appellation historique
²²⁷Th	Traces (< 10⁻¹²)	Chaîne de l'uranium 235	Radio-actinium
²²⁸Th	1,4 × 10⁻¹⁰	Chaîne du thorium 232	Radio-thorium
²³⁰Th	2 × 10⁻⁴	Chaîne de l'uranium 238	Ionium
²³¹Th	Traces (< 10⁻¹²)	Chaîne de l'uranium 235	Uranium Y
²³²Th	1	Radioisotope primordial	Thorium
²³⁴Th	Traces (< 10⁻¹²)	Chaîne de l'uranium 238	Uranium X₁

Thorium 227

Le thorium 227 fait partie de la chaîne de désintégration de l'uranium 235. Il était historiquement nommé radio-actinium, d'après son isotope-père dans cette chaîne.

Thorium 228

Le thorium 228 (²²⁸Th) est l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 138 neutrons. Il fut nommé historiquement radio-thorium, du fait de sa présence dans la chaîne de désintégration du thorium 232 (c'est le plus radioactif des deux isotopes de cette chaîne). Il a une demi-vie de 1,911 6 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'²⁰O, produisant le plomb 208, isotope stable. C'est un isotope-fils de l'uranium 232 (²³²U), produit par émission α.

²²⁸Th a une masse atomique de 228,028 741 1 g mol⁻¹.

Thorium 229

Le thorium 229 (²²⁹Th) est l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 139 neutrons. Il se désintègre par émission α pour former le ²²⁵Ra avec une demi-vie de 7 340 ans. C'est l'un des isotopes à plus longue demi-vie (après les isotopes ²³²Th et ²³⁰Th), et le dernier dont la demi-vie dépasse le millénaire.

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^[5].

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 possédant 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^[6].

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^[7], dans l'horlogerie de précision^[8], comme qubit dans le cadre de l'informatique quantique, ou pour tester l'effet de l'environnement chimique sur le taux de désintégration nucléaire^[9].

La demi-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 révélée être en réalité être due à de l'azote gazeux excité par des émissions à haute énergie^[10].

Des mesures récentes avec des rayons gamma à haute énergie donnent 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 l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 140 neutrons. Il fut historiquement appelé « ionium » (avec pour symbole chimique Io) lors de sa découverte dans la chaîne de désintégration de l'uranium 238, avant qu'on découvre que l'ionium et le thorium étaient un seul et unique élément. Il se désintègre principalement par émission α en radium 226 avec une demi-vie de 75 380 ans.

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

Thorium 231

Le thorium 231 (²³¹Th) est l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 141 neutrons. C'est un produit de désintégration de l'uranium 235, et il était historiquement appelé Uranium Y en raison de sa présence dans cette chaîne de désintégration. 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 h, on ne le trouve qu'en très petite quantité sur Terre. Sa masse atomique est de 231,036 304 3 g mol⁻¹.

Thorium 232

Article détaillé : Thorium 232.

Le thorium 232 (²³²Th) est l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 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 l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 143 neutrons. ²³³Th se désintègre par désintégration β⁻ pour former le protactinium 233 avec une demi-vie de 21,83 minutes^[11].

Thorium 234

Le thorium 234 (²³⁴Th) est l'isotope du thorium dont le noyau est constitué de 90 protons et de 144 neutrons. Il est formé par désintégration alpha de l'uranium 238, et il était historiquement appelé Uranium X₁ en raison de sa présence dans cette chaîne de désintégration.

Il se désintègre par désintégration β⁻ pour former le protactinium 234m avec une demi-vie de 24,1 jours. ²³⁴Th a une masse atomique d'environ 234,043 6 uma, et une énergie de désintégration de 270 keV.

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	Masse isotopique	Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[12]^,^{[n 1]}	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[12]^,^{[n 1]}	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
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+
²¹⁰Th	90	120	210,015075(27)	17(11) ms [9(+17-4) ms]	β⁺ (rare)	²¹⁰Ac	0+
²¹¹Th	90	121	211,01493(8)	48(20) ms [0,04(+3-1) s]	α	²⁰⁷Ra	5/2-#
²¹¹Th	90	121	211,01493(8)	48(20) ms [0,04(+3-1) s]	β⁺ (rare)	²¹¹Ac	5/2-#
²¹²Th	90	122	212,01298(2)	36(15) ms [30(+20-10) ms]	α (99,7 %)	²⁰⁸Ra	0+
²¹²Th	90	122	212,01298(2)	36(15) ms [30(+20-10) ms]	β⁺ (0,3 %)	²¹²Ac	0+
²¹³Th	90	123	213,01301(8)	140(25) ms	α	²⁰⁹Ra	5/2-#
²¹³Th	90	123	213,01301(8)	140(25) ms	β⁺ (rare)	²¹³Ac	5/2-#
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+
²¹⁶Th	90	126	216,011062(14)	26,8(3) ms	β⁺ (0,006 %)	²¹⁶Ac	0+
^216m1Th	2 042(13) keV			137(4) µs			(8+)
^216m2Th	2 637(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+#
²¹⁹Th	90	129	219,01554(5)	1,05(3) µs	β⁺ (10⁻⁷ %)	²¹⁹Ac	9/2+#
²²⁰Th	90	130	220,015748(24)	9,7(6) µs	α	²¹⁶Ra	0+
²²⁰Th	90	130	220,015748(24)	9,7(6) µs	CE (2 × 10⁻⁷ %)	²²⁰Ac	0+
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+
²²²Th	90	132	222,018468(13)	2,237(13) ms	CE (1,3 × 10⁻⁸ %)	²²²Ac	0+
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+
²²⁴Th	90	134	224,021467(12)	1,05(2) s	β⁺β⁺ (rare)	²²⁴Ra	0+
²²⁵Th	90	135	225,023951(5)	8,72(4) min	α (90 %)	²²¹Ra	(3/2)+
²²⁵Th	90	135	225,023951(5)	8,72(4) min	CE (10 %)	²²⁵Ac	(3/2)+
²²⁶Th	90	136	226,024903(5)	30,57(10) min	α	²²²Ra	0+
²²⁷Th	90	137	227,0277041(27)	18,68(9) j	α	²²³Ra	1/2+
²²⁸Th	90	138	228,0287411(24)	1,9116(16) a	α	²²⁴Ra	0+
²²⁸Th	90	138	228,0287411(24)	1,9116(16) a	DC (1,3 × 10⁻¹¹ %)	²⁰⁸Pb ²⁰O	0+
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 3]}	90	140	230,0331338(19)	7,538(30) × 10⁴ a	α	²²⁶Ra	0+
					DC (5,6 × 10⁻¹¹ %)	²⁰⁶Hg ²⁴Ne
					FS (5 × 10⁻¹¹ %)	(Varié)
²³¹Th	90	141	231,0363043(19)	25,52(1) h	β⁻	²³¹Pa	5/2+
²³¹Th	90	141	231,0363043(19)	25,52(1) h	α (10⁻⁸ %)	²²⁷Ra	5/2+
²³²Th^{[n 4]}	90	142	232,0380553(21)	1,405(6) × 10¹⁰ a	α	²²⁸Ra	0+
					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	90	144	234,043601(4)	24,10(3) j	β⁻	^234mPa	0+
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+

↑ Abréviations :
DC : désintégration par émission de cluster ;
CE : capture électronique ;
TI : transition isomérique ;
FS : fission spontanée.
↑ Isotopes stables en gras.
↑ Utilisé dans la datation à l'uranium-thorium.
↑ 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 données de façon concise entre parenthèses 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 des incertitudes élargies.

Notes et références

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↑ (en) Universal Nuclide Chart

Masse des isotopes depuis :
- (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot et O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nucl. Phys. A, vol. 729,‎ 2003, p. 3–128 (DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001, Bibcode 2003NuPhA.729....3A, lire en ligne [archive du 23 septembre 2008])
Compositions isotopiques et masses atomiques standards :
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- (en) National Nuclear Data Center, « NuDat 2.1 database », Brookhaven National Laboratory (consulté en septembre 2005)
- (en) W. M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 2013, 94^e éd. (ISBN 978-1466571143), partie 11, « Table of the Isotopes »

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