Généralités.
On appelle isotopes (d'un certain élément chimique) les nucléides partageant le même nombre de protons (caractéristique de cet élément), mais ayant un nombre de neutrons différent.
Autrement dit, si l'on considère deux nucléides dont les nombres de protons sont Z et Z', et les nombres de neutrons N et N', ces nucléides sont dits isotopes si Z = Z' et N ≈ N'.
Par extension, on appelle souvent isotope un nucléide caractérisé par son nombre de protons Z et son nombre de neutrons N (ou son nombre de masse A = Z + N), mais sans distinction concernant son spin ou son état énergétique.

Rappel : en chimie et en physique nucléaire, chaque noyau d'atome ou nucléide est défini par son nombre de protons Z (appelé aussi numéro atomique, qui définit d'ailleurs le type d'élément chimique), son nombre de neutrons N, son spin s et son niveau énergétique.

Les isotopes ne doivent pas être confondus avec :

• les isomères, nucléides ayant le même nombre de protons et le même nombre de neutrons (donc aussi le même nombre de masse) mais pas le même spin ni le même niveau énergétique.
• les isotones, nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différent ( Z ≈ Z' mais N = N' ) ;
• les isobares, nucléides ayant des nombres de protons et neutrons différents, mais des nombres de masse identiques ( Z ≈ Z', N ≈ N', mais Z + N = A = A' = Z' + N' ).

Notation.
Chaque nucléide est représenté par un symbole ^A_ZM composé de :

• son symbole chimique M (H, He, Li, etc.),
• son nombre de masse A (égal au nombre de nucléons de l'atome), placé en haut et à gauche du symbole chimique,
• son numéro atomique Z, placé en bas et à gauche du symbole chimique.

Le carbone 12 et le carbone 14, deux isotopes de l'élément carbone, sont ainsi notés ¹²₆C et ¹⁴₆C. Le numéro atomique est souvent omis, car redondant avec le symbole chimiquea : ¹²C et ¹⁴C, par exemple.
On peut également représenter les isotopes par leur nom suivi de leur nombre de masse séparé par une espace (et non un tiret, contrairement à l'anglais) : carbone 14, oxygène 18, fer 56, etc.

Cas particulier de l'hydrogène : les isotopes les plus courants de l'hydrogène sont normalement notés ¹H (protium), ²H (deutérium) et ³H (tritium), mais l'IUPAC* admet aussi (sans toutefois le recommander) l'usage des symboles D et T pour le deutérium et le tritium, en raison de l'effet isotopique marqué de ces isotopes par rapport au protium.

Propriétés.
Les propriétés des atomes étant essentiellement régies par leurs cortèges électroniques, les isotopes d'un même élément chimique ont essentiellement les mêmes propriétés physiques et chimiques, qualitativement et quantitativement.
La différence de masse entre isotopes, parce qu'elle affecte l'énergie cinétique des atomes et des molécules, entraîne cependant de légères différences de propriétés, appelées effets isotopiques. Ces effets sont d'autant plus importants que la différence relative de masse est grande : ils sont donc maximaux pour l'hydrogène (la masse de ²H est le double de celle de ¹H) et minimaux pour les éléments les plus lourds (la masse de l'uranium ²³⁵U, par exemple, n'est supérieure à celle de ²³⁴U que de 0,4 %).
Ces effets sont mis à profit pour séparer les isotopes (pour la recherche, la médecine et l'industrie nucléaire, notamment). Les températures d'ébullition légèrement différentes ont par exemple permis les premiers enrichissements isotopiques par distillation à l'aide d'une colonne de distillation à bande tournante1. L'enrichissement en ²³⁵U de l'uranium naturel se fait aujourd'hui par diffusion thermique, diffusion à l'état gazeux, centrifugation ou séparation électromagnétique.

Stabilité.
Il existe 80 éléments chimiques ayant au moins un isotope stable, de l'hydrogène ¹H au plomb ⁸²Pb (81 éléments si l'on inclut le bismuth ⁸³Bi). Le technétium ⁴³Tc, le prométhium ⁶¹Pm et tous les éléments de numéro atomique supérieur à 83 n'ont, quant à eux, aucun isotope stable.

La proportion de l'isotope stable par rapport à l'isotope instable est la même dans l'atmosphère et dans les tissus des êtres vivants mais elle varie régulièrement au cours du temps à la mort de l'individu puisque les échanges sont stoppés. C'est sur cette variation que se base la plus connue des méthodes de datation radioactive par couple d'isotopes, qui est la méthode de datation par le carbone 14. C'est certainement l'application la plus importante du concept d'isotope. Les traceurs isotopiques sont une autre application de ce concept.

Nota : le noyau d'un atome est constitué d'une part de protons qui se repoussent sous l'action de l'interaction électromagnétique (les charges électriques de même nature se repoussent) mais qui s'attirent sous l'action de l'interaction forte.
Dans un noyau, la stabilité est donc assurée par l'interaction forte, et par les neutrons qui, éloignant les protons les uns des autres, diminuent l'intensité de la répulsion électromagnétique entre les protons.
A noter que : les éléments de nombre Z impair possèdent moins d'isotopes stables que les éléments de nombre Z pair.

Une application majeure est la séparation des isotopes ²³⁵U et ²³⁸U de l'uranium, aussi appelé enrichissement. Cette séparation est obtenue par diffusion gazeuse ou par centrifugation d'hexafluorure d'uranium UF6.

Séparation des isotopes par centrifugation.
La centrifugation est obtenue par une cascade de centrifugeuses qui élèvent petit à petit le taux de U 235 dans le mélange ²³⁵U-²³⁸U qui peut servir pour un enrichissement de 5 % à des applications civiles de fission ou à 90 % pour des applications militaires.

Les centrifugeuses sont des cylindres étroits tournant à vitesse élevée. La force centrifuge est égale à M.ω². r où M est la masse unitaire, ω la vitesse angulaire de rotation et r le rayon du cylindre. Pour éviter une rupture mécanique on choisit r petit et, afin d'avoir une force appréciable, on choisit ω très élevée (la force est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation). Le taux d'enrichissement recherché est obtenu en disposant une quantité importante de centrifugeuses en série (des milliers). Ce mode de séparation est utilisé par des industriels canadiens, russes, européens.

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