Série radioactive
Une longue lignée radioactive
Ce diagramme représente le parcours sur une carte des noyaux de la chaîne de désintégration de l’uranium 238. Les désintégrations alpha font diminuer le nombre de protons et de neutrons par 2, tandis que les désintégrations bêta-négatives diminuent le nombre de neutrons par 1 et augmentent le nombre de protons par 1. L’instabilité provoquée par la désintégration alpha est corrigée par l’éventuelle désintégration bêta, conduisant au noyau stable du plomb 206, avec ses 82 protons et 124 neutrons.
IN2P3Un certain nombre de noyaux radioactifs naturels sont encore présents sur Terre, même si leur demi-vie est particulièrement courte par rapport à l’âge de notre planète. Ces radioisotopes sont les descendants de trois noyaux lourds à très longue demi-vie : l’uranium 235 (dont la demi-vie est de 0,7 milliard d’années), l’uranium 238 (qui vit pendant 4,47 milliards d’années) et le thorium 232 (dont la demi-vie est de 14,0 milliards d’années).
Ces trois » patriarches « , pour prolonger la métaphore de la famille radioactive, étaient tous présents dans la proto-étoile : le nuage qui s’est finalement condensé pour former notre Soleil, la Terre et les planètes. Chacun des trois est l’ancêtre d’une famille distincte d’éléments radioactifs naturels, dont le plus important est peut-être celui de l’uranium 238.
Un noyau d’uranium 238 se désintègre par émission alpha pour former un noyau fils, le thorium 234. Ce thorium se transforme à son tour en protactinium 234, puis subit une désintégration bêta-négative pour produire de l’uranium 234. Ce dernier isotope se transforme lentement (avec une demi-vie de 245 000 ans) en thorium 230, encore un autre noyau instable.
Toute chaîne de désintégration de ce type n’est arrêtée que par la formation d’un noyau stable. Cela se produit à la quatorzième génération de la famille de l’uranium 238, lorsque le plomb 206 est finalement produit. Les deux autres familles, celles formées à partir de l’uranium 235 et du thorium 232, se terminent respectivement par la création du plomb 207 et du plomb 208, deux autres isotopes stables du plomb.
Lignée radioactive simplifiée de l’uranium 238. Les désintégrations consécutives avec des demi-vies radicalement différentes modifient la structure de base du noyau et donc de l’atome. Le nombre total de nucléons diminue de 4 lorsque le noyau émet une particule alpha et ne change pas lorsqu’une émission négative bêta a lieu.
IN2P3Les demi-vies sont toutes extrêmement variables et il est difficile de représenter une gamme d’échelles de temps allant de la seconde individuelle aux milliards d’années. En ce sens, la lignée d’un noyau ressemble à l’écoulement de l’eau sur des montagnes et des plaines : torrentielle à un endroit et paresseusement sinueuse à un autre.
Comme il est normal pour les noyaux les plus lourds, la désintégration alpha est particulièrement fréquente dans les trois chaînes de désintégration. Chaque émission entraînant la perte de deux protons et de deux neutrons, le rapport neutrons : protons augmente cependant à mesure que l’on descend dans l’arbre généalogique. Par conséquent, la désintégration bêta est nécessaire pour équilibrer l’équilibre. Dans la lignée de l’Uranium-238 par exemple, la première désintégration alpha est suivie de deux désintégrations bêta successives transformant un noyau de thorium 234 en uranium 234.
La désintégration alpha entraîne une perte de quatre nucléons alors que la désintégration bêta n’a aucun effet sur le nombre de nucléons présents. C’est pourquoi les noyaux descendants ont toujours un multiple de quatre nucléons de moins que leurs ancêtres : comme on peut le voir avec l’uranium 238.
Parcours d’un noyau descendant d’uranium 238 sur la carte des nucléides montrant la vallée de stabilité. Sur ce parcours, les émissions alpha diminuent la taille du noyau, les émissions bêta corrigent les neutrons en excès. Il faudra des milliards d’années pour qu’un noyau d’uranium-238 atteigne le terminus, un noyau stable de plomb-206.
CEA-IRFULes membres de la famille de l’uranium 238 ont donc 4n+2 nucléons, alors que la famille de l’uranium 235 a 4n+3 et la famille du thorium 232 a 4n nucléons. En principe, la quatrième famille (4n+1) devrait exister, mais son ancêtre, le neptunium 237, a une demi-vie relativement « courte » de 2,14 millions d’années. Par conséquent, cette famille a eu largement le temps de disparaître depuis la nucléosynthèse du neptunium 237 dans les noyaux des étoiles qui ont précédé notre Soleil.
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