Isotopes du calcium

Le calcium (Ca) possède 24 isotopes connus de nombre de masse variant entre 34 et 57, mais aucun isomère nucléaire connu. Cinq de ces isotopes sont stables, ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca et ⁴⁶Ca (⁴⁰Ca et ⁴⁶Ca sont soupçonnés d'être des radioisotopes à vie extrêmement longue, mais aucune désintégration n'a pour l'instant été observée), et un radioisotope (⁴⁸Ca) a une demi-vie tellement longue (43 × 10¹⁸ années, soit presque trois milliards de fois l'âge de l'Univers) qu'il est considéré en pratique comme stable. Le noyau ⁶⁰Ca (40 neutrons) a été synthétisé en 2018[1], et en 2020 des calculs ab initio ont prédit l'existence des isotopes du calcium à 48 et 50 neutrons, voire 56 ou plus[1] - [2].

Emplacement de ⁴²Ca dans le tableau Z-N. Les isotopes du calcium sont tous placés sur la même colonne.

L'isotope le plus abondant est ⁴⁰Ca, représentant près de 97 % du calcium existant, ⁴⁴Ca 2 %, les trois autres isotopes se partageant le 1 % restant. La masse atomique standard du calcium est donc de 40,078(4) u, proche de la masse isotopique de ⁴⁰Ca.

Le calcium possède également un isotope cosmogénique, ⁴¹Ca, radioactif de demi-vie 102 000 années.

Le plus stable des radioisotopes artificiels est ⁴⁵Ca, avec une demi-vie de 163 jours. Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 5 jours, et la plupart inférieure à 1 minute. Le moins stable — à part ⁶⁰Ca — est ³⁴Ca avec une demi-vie inférieure à 35 nanosecondes.

À l'exception de ³⁴Ca qui se désintègre par émission de proton, les isotopes les plus légers se désintègrent principalement ou en partie par désintégration β⁺ en isotopes du potassium, certains se désintégrant par émission de positron puis émission de proton, en isotopes de l'argon. ⁴¹Ca se désintègre par capture électronique et les radioisotopes les plus lourds par désintégration β⁻ en isotopes du scandium, certains en grande partie par β⁻ suivie d'une émission de neutron. ⁴⁸Ca est l'isotope le plus léger connu se désintégrant par double désintégration β⁻, en ⁴⁸Ti.

Isotopes notables

Calcium naturel

Le calcium naturel est constitué des cinq isotopes stables ⁴⁰Ca (largement majoritaire), ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca et ⁴⁶Ca, de l'isotope quasi stable ⁴⁸Ca, et du radioisotope cosmogénique ⁴¹Ca.

Isotope	Abondance (pourcentage molaire)	Gamme de variations
⁴⁰Ca	96,941 (156) %	96,933 - 96,947
⁴¹Ca	Traces
⁴²Ca	0,647 (23) %	0,646 - 0,648
⁴³Ca	0,135 (10) %
⁴⁴Ca	2,086 (110) %	2,082 - 2,092
⁴⁶Ca	0,004 (3) %
⁴⁸Ca	0,187 (21) %	0,186 - 0,188

Calcium 40

Le calcium 40 (⁴⁰Ca) est l'isotope du calcium dont le noyau est constitué de 20 protons et de 20 neutrons. C'est un isotope stable, représentant 97 % du calcium présent dans la nature. Outre ce fait, ⁴⁰Ca est également le produit de la désintégration de ⁴⁰K, avec ⁴⁰Ar. Alors que la datation par le potassium-argon est utilisée abondamment en géologie, la prévalence de ⁴⁰Ca sur les autres isotopes du calcium dans la nature a empêché son utilisation en datation. Des techniques utilisant la spectrométrie de masse et une double dilution isotopique (ou dilution isotope à double traceur) ont été utilisées pour la datation au K-Ca.

Calcium 41

Le calcium 41 (⁴¹Ca) est l'isotope du calcium dont le noyau comporte 21 neutrons. C'est un radioisotope de demi-vie moyenne (102 000 années), dont la désintégration radioactive par capture électronique conduit au potassium 41, stable.

Le calcium 41 est un isotope cosmogénique, c'est-à-dire. produit par l'action des rayons cosmiques. Il n'est cependant pas produit dans l'atmosphère terrestre comme la plupart des autres isotopes cosmogéniques, mais par activation neutronique de ⁴⁰Ca, principalement dans le premier mètre du sol où le flux de neutrons cosmogéniques est encore suffisamment fort.

Le calcium 41 est également l'isotope « père » d'une radioactivité éteinte, c'est-à-dire qu'il était présent lors de la formation du système solaire mais que ces noyaux primordiaux se sont entièrement désintégrés. Cette présence initiale est attestée par l'observation d'excès de potassium 41 dans les CAI de divers types de chondrites[alpha 1].

L'usage du calcium 41 a été envisagé pour des applications de radiodatation[3] - [4]. En effet le calcium est présent en abondance dans les ossements, et la demi-vie du calcium 41 est près de cinq fois plus longue que celle du carbone 14 : la datation au calcium 41 permettrait donc en théorie de déterminer des âges de l'ordre de la centaine de milliers d'années, là où la datation au carbone 14 est inopérante au-delà de 50 000 ans[3] - [4]. Cependant cette méthode n'a pas encore été utilisée[3] car elle pose des difficultés pratiques : le calcium 41 est très peu abondant dans les échantillons par rapport au calcium 40[4] et pour assurer que les atomes de calcium 41 datent bien du vivant de l'organisme il faut que les échantillons aient été enterrés profondément dans le sol ou dans une grotte[4].

Calcium 42 et calcium 44

Ces deux isotopes sont stables. Le rapport isotopique ⁴²Ca/⁴⁴Ca, faiblement variable, peut servir à distinguer différents types de régime alimentaire. Il a ainsi permis de montrer que, au moins vers 120 et 100 Ma BP en Afrique du Nord, les abélisauridés et les carcharodontosauridés (des dinosaures théropodes) chassaient préférentiellement des proies terrestres (dont des dinosaures herbivores), alors que les spinosaures étaient piscivores, tandis que les crocodiles géants comme Sarcosuchus avaient un régime mixte[5] - [6]. Ces isotopes peuvent aussi être utilisés pour quantifier à partir d'ossements la part des produits laitiers dans l'alimentation humaine, notamment pendant la révolution néolithique[7].

Calcium 48

Le calcium 48 (⁴⁸Ca) est l'isotope du calcium dont le noyau est constitué de 20 protons et de 28 neutrons. C'est un radioisotope de demi-vie extrêmement longue, (43×10¹⁸ années), considéré pour les applications pratiques comme stable.

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	Masse isotopique (u)	Demi-vie	Mode(s) de désintégration[8] - [n 1]	Isotope(s)-fils[n 2]	Spin nucléaire
³⁴Ca	20	14	34,01412(32)#	<35 ns	p	³³K	0+
³⁵Ca	20	15	35,00494(21)#	25,7(2) ms	β⁺ (>99,9 %)	³⁵K	1/2+#
³⁵Ca	20	15	35,00494(21)#	25,7(2) ms	β⁺, p (<0,1 %)	³⁴Ar	1/2+#
³⁶Ca	20	16	35,99309(4)	102(2) ms	β⁺, p (56,8 %)	³⁵Ar	0+
³⁶Ca	20	16	35,99309(4)	102(2) ms	β⁺ (43,2 %)	³⁶K	0+
³⁷Ca	20	17	36,985870(24)	181,1(10) ms	β⁺, p (74,5 %)	³⁶Ar	(3/2+)
³⁷Ca	20	17	36,985870(24)	181,1(10) ms	β⁺ (25,5 %)	³⁷K	(3/2+)
³⁸Ca	20	18	37,976318(5)	440(8) ms	β⁺	³⁸K	0+
³⁹Ca	20	19	38,9707197(20)	859,6(14) ms	β⁺	³⁹K	3/2+
⁴⁰Ca[n 3]	20	20	39,96259098(22)	Observé stable[n 4]			0+
⁴¹Ca[n 5] - [n 6]	20	21	40,96227806(26)	1,02(7)×10⁵ a	CE	⁴¹K	7/2-
⁴²Ca	20	22	41,95861801(27)	Stable			0+
⁴³Ca	20	23	42,9587666(3)	Stable			7/2-
⁴⁴Ca	20	24	43,9554818(4)	Stable			0+
⁴⁵Ca	20	25	44,9561866(4)	162,67(25) j	β⁻	⁴⁵Sc	7/2-
⁴⁶Ca	20	26	45,9536926(24)	Observé stable[n 7]			0+
⁴⁷Ca	20	27	46,9545460(24)	4,536(3) j	β⁻	⁴⁷Sc	7/2-
⁴⁸Ca[n 8]	20	28	47,952534(4)	43(38)×10¹⁸ a	β⁻β⁻[n 9]	⁴⁸Ti	0+
⁴⁹Ca	20	29	48,955674(4)	8,718(6) min	β⁻	⁴⁹Sc	3/2-
⁵⁰Ca	20	30	49,957519(10)	13,9(6) s	β⁻	⁵⁰Sc	0+
⁵¹Ca	20	31	50,9615(1)	10,0(8) s	β⁻ (>99,9 %)	⁵¹Sc	(3/2-)#
⁵¹Ca	20	31	50,9615(1)	10,0(8) s	β⁻, n (<0,1 %)	⁵⁰Sc	(3/2-)#
⁵²Ca	20	32	51,96510(75)	4,6(3) s	β⁻ (98 %)	⁵²Sc	0+
⁵²Ca	20	32	51,96510(75)	4,6(3) s	β⁻, n (2 %)	⁵¹Sc	0+
⁵³Ca	20	33	52,97005(54)#	90(15) ms	β⁻ (70 %)	⁵³Sc	3/2-#
⁵³Ca	20	33	52,97005(54)#	90(15) ms	β⁻, n (30 %)	⁵²Sc	3/2-#
⁵⁴Ca	20	34	53,97435(75)#	50# ms [>300 ns]	β⁻, n	⁵³Sc	0+
⁵⁴Ca	20	34	53,97435(75)#	50# ms [>300 ns]	β⁻	⁵⁴Sc	0+
⁵⁵Ca	20	35	54,98055(75)#	30# ms [>300 ns]	β⁻	⁵⁵Sc	5/2-#
⁵⁶Ca	20	36	55,98557(97)#	10# ms [>300 ns]	β⁻	⁵⁶Sc	0+
⁵⁷Ca	20	37	56,99236(107)#	5# ms	β⁻	⁵⁷Sc	5/2-#
⁵⁷Ca	20	37	56,99236(107)#	5# ms	β⁻, n	⁵⁶Sc	5/2-#

Abréviation :
CE : capture électronique.
Isotopes stables en gras.
Nucléide le plus lourd avec un nombre égal de protons et de neutrons dont on n'a pas observé de désintégration.
Soupçonné de se désintégrer par double capture électronique en ⁴⁰Ar avec une demi-vie d'au moins 5,9×10²¹ années.
Radioisotope cosmogénique.
Isotope père d'une radioactivité éteinte.
Soupçonné de se désintégrer par double β⁻β⁻ en ⁴⁶Ti avec une demi-vie d'au moins 2,8×10¹⁵ années.
Radionucléide primordial.
Nucléide le plus léger connu subissant une double désintégration bêta.

Remarques

L'évaluation de la composition isotopique est valable pour la plupart des échantillons commerciaux, mais pas tous.
La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données sont normalement valables pour tout matériel terrestre normal.
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 échantillons 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[9].
Masses des isotopes données par la Commission sur les Symboles, les Unités, la Nomenclature, les Masses atomiques et les Constantes fondamentales (SUNAMCO) de l'IUPAP.
Abondances isotopiques données par la Commission des abondances isotopiques et des poids atomiques de l'IUPAC.

Notes, références et sources

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Isotopes of calcium » (voir la liste des auteurs).

Notes

Les excès de ⁴¹K , l'isotope-fils de ⁴¹Ca, sont mis en évidence par l'observation d'une corrélation linéaire entre le rapport isotopique ⁴¹K/³⁹K et le rapport chimique Ca/K dans les échantillons considérés.

Références

(en) Andrew Grant, « A comprehensive theoretical survey of nuclei », Physics Today,‎ 15 janvier 2021 (DOI 10.1063/PT.6.1.20210115a).
(en) S. R. Stroberg, J. D. Holt, A. Schwenk et J. Simonis, « Ab Initio Limits of Atomic Nuclei », Physical Review Letters, vol. 126, n^o 2,‎ 12 janvier 2021, article n^o 022501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.126.022501).
(en) Eric Delson, Ian Tattersall et al., Encyclopedia of Human Evolution and Prehistory, Routledge, 2004 (1^re éd. 1999), 753 p. (ISBN 978-0-8153-1696-1), p. 153, Encyclopedia of Human Evolution and Prehistory sur Google Livres.
Étienne Roth (dir.), Bernard Poty (dir.), Ted Rees et al. (préf. Jean Coulomb), Méthodes de datation par les phénomènes nucléaires naturels, Paris, Éditions Masson, coll. « Collection CEA », 1985, 631 p. (ISBN 2-225-80674-8), chap. 13 (« Datation par les isotopes cosmogéniques »).
« Le menu des dinosaures révélé par le calcium », sur CNRS, 11 avril 2018 (consulté le 14 avril 2018).
(en) A. Hassler, J. E. Martin, R. Amiot, T. Tacail, F. Arnaud Godet, R. Allain et V. Balter, « Calcium isotopes offer clues on resource partitioning among Cretaceous predatory dinosaurs », Proceedings of the Royal Society B,‎ 11 avril 2018 (DOI 10.1098/rspb.2018.0197)
(en) Théo Tacail, Jeremy E.Martin, Estelle Herrscher et al., « Quantifying the evolution of animal dairy intake in humans using calcium isotopes », Quaternary Science Reviews (en), vol. 256,‎ 15 mars 2021 (DOI 10.1016/j.quascirev.2021.106843), accès libre.
(en)Universal Nuclide Chart
(en) « 2.5.7. Standard and expanded uncertainties », Engineering Statistics Handbook (consulté le 16 septembre 2010)

Sources

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 », Nuclear Physics 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 :
- (en) J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman et P. D. P. Taylor, « Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 75, n^o 6,‎ 2003, p. 683–800 (DOI 10.1351/pac200375060683, lire en ligne)
- (en) M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 78, n^o 11,‎ 2006, p. 2051–2066 (DOI 10.1351/pac200678112051, résumé, lire en ligne)
Demi-vie, spin et données sur les isomères sélectionnés :
- (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot et O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nuclear Physics 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])
- (en) National Nuclear Data Center, « NuDat 2.1 database », Brookhaven National Laboratory (consulté en septembre 2005)
- (en) N. E. Holden et D. R. Lide (dir.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 2004, 85^e éd., 2712 p. (ISBN 978-0-8493-0485-9, lire en ligne), « Table of the Isotopes », Section 11

Voir aussi

Bibliographie

(en) Maria C. Valdes, Katherine R. Bermingham, Shichun Huang et Justin I. Simon, « Calcium isotope cosmochemistry », Chemical Geology (en), vol. 581,‎ 20 octobre 2021, article n^o 120396 (DOI 10.1016/j.chemgeo.2021.120396, lire en ligne [PDF], consulté le 27 septembre 2021)

Tableau périodique des isotopes

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