Tous les noyaux atomiques sont repérés dans un diagramme (N, Z) dans lequel sont clairement distingués les noyaux stables des noyaux instables (radioactifs).

I Noyaux atomiques et isotopes

Le noyau atomique, situé au cœur de l'atome et entouré de Z électrons, est un assemblage de A nucléons (N neutrons et Z protons) : A = Z + N. Il est symbolisé par ${}_Z{}^A\text{X}$ où X est le symbole de l'élément chimique de numéro atomique Z.

Le proton (positif) et l'électron (négatif) portent en valeur absolue la même charge électrique appelée charge élémentaire : e = 1,602 × 10^–19 C (coulomb).

Exemple : le noyau de sodium ${}_{11}{}^{23}\text{N}\text{a}$ est formé de 11 protons et 12 neutrons.

Des isotopes sont des atomes d'un même élément chimique (même nombre Z de protons) qui diffèrent par leur nombre de neutrons (donc par leur masse).

Exemple : le zinc existe à l'état naturel sous forme de cinq isotopes stables. Le plus léger est le zinc 64 de symbole ${}_{30}{}^{64}\text{Z}\text{n}$ et le plus lourd le zinc 70 de symbole ${}_{30}{}^{70}\text{Z}\text{n}$.

II Diagramme (N, Z )

La centaine d'éléments chimiques connus existent sous la forme de plus de 3 000 isotopes naturels ou artificiels. Moins de 10 % de ces isotopes ont un noyau stable, tous les autres sont radioactifs c'est-à-dire instables. On parle de radio-isotopes.

Lorsqu'on repère chaque noyau ${}_Z{}^A\text{X}$ dans un diagramme (N, Z), l'ensemble des isotopes stables constituent la vallée (ou domaine) de stabilité.

Pour Z  20, les noyaux stables sont proches de la bissectrice (Z = N).

Pour Z > 20, les noyaux stables contiennent plus de neutrons que de protons ; ils sont situés au-dessous de la bissectrice. Il n'existe pas de noyaux stables pour les « gros » noyaux au-delà de l'uranium ($Z\ge 93$).

Un même élément peut avoir plusieurs isotopes stables (exemple : l'hydrogène).

Allure générale du diagramme (N, Z)

Méthode

Utiliser le diagramme (N, Z )

On donne le diagramme (N, Z) pour les 10 premiers éléments chimiques.

a. Dénombrer les isotopes du lithium. Identifier et symboliser ceux qui sont stables.

b. Identifier et symboliser tous les noyaux contenant deux neutrons.

c. Identifier tous les noyaux constitués de huit nucléons. Combien sont stables ?

Conseils

Chaque noyau est représenté dans le diagramme par une case d'abscisse N et d'ordonnée Z. Pour obtenir son symbole ${}_Z{}^A\text{X}$, utilisez la relation A = Z + N.

Solution

a. Dans le diagramme, les isotopes du lithium Li sont représentés sur la ligne horizontale d'ordonnée Z = 3 ; on en compte dix. Deux seulement sont stables (cases vertes). Ils contiennent respectivement N = 3 et N = 4 neutrons.

En utilisant la relation A = Z + N, on en déduit que les deux isotopes stables sont le lithium 6 (${}_3{}^6\text{L}\text{i})$ et le lithium 7 (${}_3{}^7\text{L}\text{i}$).

b. On trouve les noyaux à deux neutrons sur la verticale d'abscisse N = 2.

Le premier est tel que Z = 1 donc A = 3, il s'agit de l'hydrogène trois (${}_1{}^3\text{H})$.

Les suivants sont l'hélium 4 (${}_2{}^4\text{H}\text{e})$, le lithium 5 (${}_3{}^5\text{L}\text{i})$, le béryllium 6 (${}_4{}^6\text{B}\text{e})$, le bore 7 (${}_5{}^7\text{B})$ et le carbone 8 (${}_6{}^8\text{C})$.

À noter

L'hydrogène 3 est aussi appelé tritium.

c. On identifie les noyaux à huit nucléons (A = Z + N = 8) en recherchant les cases telles que la somme de l'abscisse et de l'ordonnée soit égale à 8.

Il s'agit de : ${}_2{}^8\text{H}\text{e}$, ${}_3{}^8\text{L}\text{i}$, ${}_4{}^8\text{B}\text{e}$, ${}_5{}^8\text{B}$ et ${}_6{}^8\text{C}$. Aucun de ces noyaux n'est stable.