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 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 : .
30 radioisotopes ont été caractérisés, avec un nombre de masse variant entre 209 et 238, les plus stables étant, après 232Th, 230Th avec une demi-vie de , 229Th () et 228Th (). Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à et pour la plupart, inférieure à . Un isotope, 229Th, possède un isomère nucléaire (ou état métastable) avec une énergie d'excitation remarquablement basse, mesurée récemment à .
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 .
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 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. IsotopeAbondance approximative (fraction molaire)Fiche du thorium sur le site de la Commission on Isotopic Abundances and Atomic WeightsOrigineAppellation historique227ThTraces (< )Chaîne de l'uranium 235Radio-actinium228ThChaîne du thorium 232Radio-thorium230ThChaîne de l'uranium 238Ionium231ThTraces (< )Chaîne de l'uranium 235Uranium Y232Th1Radioisotope primordialThorium234ThTraces (< )Chaîne de l'uranium 238Uranium 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 1,9116 année. Il se désintègre principalement par émission α pour donner le radium 224. De façon très occasionnelle (proportion : ), il peut aussi se désintégrer par émission de cluster, en émettant un noyau de 20O, produisant le plomb 208, un isotope stable. C'est un isotope-fils de l'uranium 232 (232U), produit par émission α.
228Th a une masse atomique de .
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 . 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 Report to Congress on the extraction of medical isotopes from U-233, Département de l'Énergie des États-Unis, mars 2001.
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 , avec une incertitude de .
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, dans l'horlogerie de précision, comme qubit dans le cadre de l'informatique quantique, ou pour tester l'effet de l'environnement chimique sur le taux de désintégration nucléaire.
La demi-vie de cet état excité est inconnue, mais elle est estimée à . 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.
Des mesures récentes avec des rayons gamma à haute énergie donnent une énergie pour l'état 3/2+ de , avec une incertitude de .
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 .
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 . Du fait de sa courte demi-vie, , on ne le trouve qu'en très petite quantité sur Terre. Sa masse atomique est de .
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 , 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 .
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 . 234Th a une masse atomique d'environ , et une énergie de désintégration de .
Table des isotopes Symbolede l'isotope Z (p) N (n) Masse isotopique Demi-vie Mode(s) dedésintégration Universal Nuclide ChartAbréviations :DC : désintégration par émission de cluster ;CE : capture électronique ;TI : transition isomérique ;FS : fission spontanée. Isotope(s)-filsIsotopes stables en gras. Spin nucléaire Énergie d'excitation 209Th 90 119 209,01772(11) 7(5) ms[3,8(+69-15)] 5/2-#210Th 90 120210,015075(27)17(11) ms[9(+17-4) ms] α 206Ra0+ β+ (rare) 210Ac211Th 90 121211,01493(8)48(20) ms[0,04(+3-1) s] α 207Ra5/2-# β+ (rare) 211Ac212Th 90 122212,01298(2)36(15) ms[30(+20-10) ms] α (99,7 %) 208Ra0+ β+ (0,3 %) 212Ac213Th 90 123213,01301(8)140(25) ms α 209Ra5/2-# 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 126216,011062(14)26,8(3) ms α (99,99 %) 212Ra0+ β+ (0,006 %) 216Ac 216m1Th 137(4) µs (8+) 216m2Th 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 129219,01554(5)1,05(3) µs α 215Ra9/2+# β+ () 219Ac220Th 90 130220,015748(24)9,7(6) µs α 216Ra0+ CE () 220Ac 221Th 90 131 221,018184(10) 1,73(3) ms α 217Ra (7/2+)222Th 90 132222,018468(13)2,237(13) ms α 218Ra0+ CE () 222Ac 223Th 90 133 223,020811(10) 0,60(2) s α 219Ra (5/2)+224Th 90 134224,021467(12)1,05(2) s α 220Ra0+ β+β+ (rare) 224Ra225Th 90 135225,023951(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 90 137 227,0277041(27) 18,68(9) j α 223Ra 1/2+228Th 90 138228,0287411(24)1,9116(16) a α 224Ra0+ DC () 208Pb20O 229Th 90 139 229,031762(3) a α 225Ra 5/2+ 229mTh 0,0076(5) keV 70(50) h TI 229Th 3/2+230ThUtilisé dans la datation à l'uranium-thorium. 90 140230,0331338(19) a α 226Ra0+ DC () 206Hg24Ne FS () (Varié)231Th 90 141231,0363043(19)25,52(1) h β− 231Pa5/2+ α () 227Ra232ThRadioisotope primordial. 90 142232,0380553(21) a α 228Ra0+ β−β− (rare) 232U FS () (Varié) DC () 182Yb26Ne24Ne 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+
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
Masse des isotopes depuis :
Compositions isotopiques et masses atomiques standards :
Demi-vies, spins et données sur les isomères sélectionnés :
Articles connexes Thorium Réacteurs nucléaires au thorium dans le monde Horloge nucléaire
Thorium Catégorie:Thorium