Chaîne de désintégration

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CE fait référence à la capture électronique

Une chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou désintégration en cascade, ou encore filiation radioactive, désigne une série de désintégrations, apparaissant par transformation spontanée d'un radioisotope instable, permettant d'arriver à un élément chimique dont le noyau atomique est stable (c'est-à-dire non radioactif). Le plomb (Pb) est généralement le point stable auquel les chaînes de désintégration s'arrêtent.

Dans une chaîne de désintégration, le noyau instable appelé « mère » est stabilisé par une succession de désintégrations. Chaque étape est caractérisée par un état intermédiaire correspondant à un radionucléide appelé « fille » de l'élément mère. Une chaîne de désintégration peut être représentée graphiquement par un schéma de désintégration, particulièrement utile lorsque la chaîne est complexe.

Une partie d'une chaîne de désintégration, aboutissant à un isotope stable, le plomb

Désintégration simple[modifier | modifier le code]

Lors d'une désintégration simple, l'élément radioactif subit différents modes de désintégration : il peut émettre un rayonnement α, β+ ou β-, et se transforme en un autre élément appelé produit de désintégration. Le rayonnement α consiste en l'émission d'un noyau d'hélium, constitué de deux neutrons et deux protons ; le rayonnement β- consiste en l'émission d'un électron (chargé négativement) ; le rayonnement β+ par celle d'un positron (ou antiélectron, chargé positivement).

Particules émises par les corps radioactifs[modifier | modifier le code]

C'est une propriété assez remarquable des corps radioactifs dont la période est supérieure à quelques minutes de n'émettre aucun neutron ni proton qui sont pourtant les nucléons de base constitutifs des noyaux des atomes, mais uniquement en termes de particules des électrons ou des particules alpha (4 nucléons), accompagnés généralement d'un rayonnement électromagnétique (rayonnement gamma) s'il y a réarrangement concomitant du cortège électronique autour du noyau. Il est plus « économique » au sens énergétique du terme et efficace pour le noyau en excès de neutron d'éjecter un électron plutôt qu'un neutron. De même pour le noyau en excès de protons, l'éjection d'un positron plutôt qu'un proton lui permet de rallier la stabilité de façon plus efficace.

Un corps radioactif peut voir son nombre de nucléons changer/diminuer uniquement par groupe de quatre nucléons en émettant une particule alpha (un noyau d'hélium).

Il découle de cela le fait que les transformations des corps radioactifs non émetteur alpha de période supérieure à quelques minutes s'effectuent uniquement suivant la diagonale N + Z = constante dans la table des isotopes.

Cas de la fission spontanée[modifier | modifier le code]

Pour certains éléments, il peut se produire spontanément non pas une désintégration, mais une fission nucléaire, initialisant plusieurs chaînes de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 se transforme dans une très faible proportion en deux produits de fission en émettant quelques neutrons. Un autre exemple est constitué par le californium 252, pour lequel le taux de fission spontanée est d'environ 3 %.

Radioactivité globale d'une chaîne[modifier | modifier le code]

À échelle des temps géologiques, c'est le radionucléide dont la demi-vie est la plus longue qui domine la chaîne. Quand ses descendants sont à l'équilibre, le nombre d'atomes d'un descendant dans le minerai est pratiquement proportionnel à sa demi-vie. Ainsi, accompagnant de l'uranium 238 (4 500×106 ans), on trouve toujours à l'équilibre dynamique une faible proportion de son descendant l'uranium 234 (0,25×106 ans) dans une proportion de 0,25/4 500=0,0056 %. Mais l'activité d'un radionucléide étant inversement proportionnelle à sa durée de vie, chaque maillon de la chaîne a finalement la même contribution en termes de nombre de désintégration par seconde (becquerel) : l'activité globale d'une chaîne de désintégration à l'équilibre est celle de son maillon dominant, multipliée par le nombre d'étapes de la chaîne. En particulier, pour un minerai d'uranium (majoritairement 238U), la radioactivité due au radon est du même niveau que celle due à l'uranium proprement dit, c'est-à-dire 7 % de la radioactivité globale (parce que la chaîne de désintégration a quatorze étapes).

Les 4 chaînes de désintégration[modifier | modifier le code]

Quatre chaînes de désintégration : thorium, radium, actinium et neptunium

Il n'y a que quatre chaînes de désintégration, compte tenu du mode de décroissance des actinides : la radioactivité α fait perdre quatre nucléons, tandis que la radioactivité β- (et le cas échéant, la radioactivité β+) ne modifie pas le nombre de nucléons. Pour cette raison, pratiquement toutes les désintégrations radioactives conduiront à un radionucléide dont le nombre de nucléons reste constant modulo quatre.

Alors même que les noyaux des atomes sont constitués de neutrons et de protons (les nucléons), on constate que la diminution du nombre de nucléon par désintégration ne s'effectue que quatre par quatre (2 neutrons + 2 protons) : le noyau d'hélium. Un atome ne peut « perdre » des nucléons que 4 par 4.

Trois de ces chaînes se rencontrent dans la nature : celles de l'uranium 235, de l'uranium 238, et du thorium 232. La quatrième chaîne, celle du neptunium 237, a disparue lors des premiers âges de la Terre et ne comporte que des radionucléides artificiels. Ces chaînes se prolongent en amont par les actinides artificiels transuraniens, plus lourds et plus instables.

Famille 4n + 0 du thorium 232 (plutonium 244 et 240, uranium 236)[modifier | modifier le code]

Thorium series.gif

Le plutonium 240 est produit en réacteur à partir du plutonium 239, par capture neutronique. La proportion de plutonium 240 dans les produits d'activation de l'uranium sera d'autant plus élevée qu'il aura subi une irradiation prolongée en réacteur. À long terme, la radioactivité du Pu 240 est dominée d'abord par l'uranium 236, et à échelle de temps géologique, par le thorium 232, quasiment stable (il est présent dans l'écorce terrestre en quantité quatre fois plus importante que l'uranium).

Le plutonium 244 est le plus stable des isotopes du plutonium, mais n'est pas produit en réacteur en quantités significatives. C'est le seul isotope non artificiel du plutonium à avoir été détecté, à l'état de traces.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie[Note 1]
Plutonium 244 244Pu Radioactivité α 80×106 a
Uranium 240 240U Radioactivité β- 14,1 h
Neptunium 240 240Np Radioactivité β- 62 min
Plutonium 240 240Pu Radioactivité α 6 560 a
Uranium 236 236U Radioactivité α 23,42×106 a
Thorium 232 232Th Radioactivité α 14,05×109 a
Radium 228 228Ra Radioactivité β- 5,75 a
Actinium 228 228Ac Radioactivité β- 6,15 h
Thorium 228 228Th Radioactivité α 1,19 a
Radium 224 224Ra Radioactivité α 3,63 j
Radon 220 (Thoron) 220Rn Radioactivité α 55,6 s
Polonium 216 216Po Radioactivité α 0,145 s
Plomb 212 212Pb Radioactivité β- 10,64 h
Bismuth 212 212Bi Radioactivité β- 60,55 min
Polonium 212 212Po Radioactivité α 0,3 μs
Plomb 208 208Pb Stable -

Aucun des descendants du thorium n'a de demi-vie très élevée. Ainsi, la proportion atomique totale des 5 descendants émetteurs alpha du thorium dans le minerai apparait très faible, à peine 8,54×10-11. L'activité alpha d'un minerai de thorium contenant 1 kg de thorium 232 vaut six fois celle du thorium 232 pur, soit sensiblement 24,34 MBq. L'activité bêta est du même ordre.

En outre, les résidus miniers dont a été extrait le thorium cessent rapidement d'être significativement radioactifs, contrairement au cas des résidus radifères de l'uranium.

Famille 4n + 1 du neptunium 237 (plutonium 241)[modifier | modifier le code]

Cette série est entièrement artificielle. La durée de vie de cette série est insuffisante pour que l'on en trouve des traces minéralogiques.

Le plutonium 241 est un isotope fissile, mais rarement utilisé séparément en raison de la difficulté à le produire en grande quantité, du coût élevé de sa production, de sa demi-vie brève, et de sa radioactivité plus élevée que celle du plutonium 239. Le plutonium 241 possède un descendant radiotoxique, l'américium 241, qui, s'il s'accumule dans les tissus, en particulier les reins et les os, y crée un danger semblable à celui du plutonium.

À long terme (échelle du millénaire) la radioactivité du plutonium 241 est dominée par son descendant le neptunium 237, dont la demi-vie est de 2 millions d'années.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie[Note 1]
Plutonium 241 241Pu Radioactivité β 14,4 a
Américium 241 241Am Radioactivité α 432,7 a
Neptunium 237 237Np Radioactivité α 2 140 000 a
Protactinium 233 233Pa Radioactivité β 27 j
Uranium 233 233U Radioactivité α 159 000 a
Thorium 229 229Th Radioactivité α 75 400 a
Radium 225 225Ra Radioactivité β 14,9 j
Actinium 225 225Ac Radioactivité α 10 j
Francium 221 221Fr Radioactivité α 4,8 min
Astate 217 217At Radioactivité α 32 ms
Bismuth 213 213Bi Radioactivité α 46,5 min
Thallium 209 209Tl Radioactivité β 2,2 min
Plomb 209 209Pb Radioactivité β 3,25 h
Bismuth 209 209Bi Radioactivité α ~19×1018 a
Thallium 205 205Tl stable  

Famille 4n + 2 de l'uranium 238[modifier | modifier le code]

L'uranium 238 est l'isotope d'uranium qui représente en abondance plus de 99,2743 % de l'uranium naturel, il se désintègre naturellement en plomb 206, stable et non radioactif. Parmi les descendants de l'uranium 238, le radon est un gaz radiotoxique qui peut provoquer le cancer du poumon en cas d'inhalation.

Le plutonium 238 appartient à cette famille. Il donne de l'uranium 234 par désintégration α avec une énergie de désintégration de 5,593 MeV, une puissance spécifique d'environ 567 W/kg et une période radioactive de 87,74 ans.

Élément chimique Rayonnement Observable en
spectrométrie \gamma
Demi-vie[Note 1]
Plutonium 242 242Pu Radioactivité α oui 373 000 a
Uranium 238 238U Radioactivité α 4,4688×109 a
Thorium 234 234Th Radioactivité β oui 24 j
Protactinium 234 234Pa Radioactivité β oui 1,2 min
Uranium 234 234U Radioactivité α 245 000 a
Thorium 230 230Th Radioactivité α oui 75 000 a
Radium 226 226Ra Radioactivité α oui 1 602 a
Radon 222 222Rn Radioactivité α 3,8 j
Polonium 218 218Po Radioactivité α 3 min
Plomb 214 214Pb Radioactivité β oui 27 min
Bismuth 214 214Bi Radioactivité β oui 20 min
Polonium 214 214Po Radioactivité α 160 μs
Plomb 210 210Pb Radioactivité β oui 22,3 a
Bismuth 210 210Bi Radioactivité β 5 j
Polonium 210 210Po Radioactivité α 138,376 j
Plomb 206 206Pb stable  

Source : le tableau provient de La Gazette Nucléaire, no 221/222, juin 2005, [1]

La longue demi-vie de l'uranium 238 explique qu'on en trouve encore sur Terre à l'état naturel et qu'il n'ait pas encore été complètement transformé en plomb.

Trois descendants de l'uranium 238 ont une demi-vie significative (uranium 234, thorium 230 et radium 226), auxquels il faut adjoindre le protactinium 231 descendant de l'uranium 235. Ainsi dans un minerai contenant 1 kg d'uranium (uranium 234 compris), la proportion atomique totale des 12 descendants émetteurs alpha autres que l'uranium 234 vaut environ 1,735×10-5 (~0,0017 %) ce qui demeure très faible. L'activité alpha totale d'un minerai d'uranium contenant 1 kg d'uranium naturel ressort à 102,74 MBq.

Famille 4n + 3 de l'uranium 235 (plutonium 239)[modifier | modifier le code]

Decay scheme U235.png

Le plutonium 239 est un métal lourd artificiel, utilisé pour fabriquer des têtes nucléaires et du combustible MOX. Le plutonium 239 est aussi contenu dans certains déchets radioactifs, il est cependant difficile à détecter.

Il se désintègre dans sa première étape en uranium 235, qui est 30 000 fois moins radioactif que lui : en première approximation, le plutonium 239 se convertit en uranium 235 qui est un élément fissile et présent à raison de 0,7202 % de l'uranium à l'état naturel. La chaîne de désintégration du plutonium 239 se confond ensuite avec celle de l'uranium 235. Une chaîne de désintégration simplifiée du plutonium 239 est illustrée ci-dessous.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie[Note 1]
Plutonium 239 239Pu Radioactivité α 24 110 a
Uranium 235 235U Radioactivité α 7,038×108 a
Thorium 231 231Th Radioactivité β 25,2 h
Protactinium 231 231Pa Radioactivité α 32 700 a
Actinium 227 227Ac Radioactivité β 21,8 a
Thorium 227 227Th Radioactivité α 18,72 j
Radium 223 223Ra Radioactivité α 11,43 j
Radon 219 219Rn Radioactivité α 3,96 s
Polonium 215 215Po Radioactivité α 1,78 ms
Plomb 211 211Pb Radioactivité β 36,1 min
Bismuth 211 211Bi Radioactivité α 2,15 min
Thallium 207 207Tl Radioactivité β 4,77 min
Plomb 207 207Pb stable  

Cette chaîne présente trois diverticules où les désintégrations successives α et β- sont inversées :

  • L'actinium 227 subit une radioactivité α dans 1,38 % des cas, conduisant au francium 223.
    Celui-ci, très radioactif (de période ~22 minutes), se désintègre majoritairement (à 99,994 %) par une désintégration β-, conduisant au radium 223 de la branche principale.
    Dans 0,006 % des cas, le francium subit une désintégration conduisant à l'astate 219. Celui-ci se désintègre avec une demi-vie de 56 s.
    Une minorité (~3 %) des désintégrations de l'astate 219 se fait en β-, rejoignant la branche principale sur le radon 219.
    Le reste (~97 %) subit une désintégration α, conduisant au bismuth 215. Ce dernier se désintègre à 100 % en polonium 215, rejoignant la branche principale.
  • Le polonium 215 subit une radioactivité β- dans 0,00023 % des cas, conduisant à l'astate 215.
    Celui-ci, très instable (une demi-vie de 0,1 ms), subit une désintégration α qui lui fait rejoindre la branche principale sur le bismuth 211.
  • Le bismuth 211 subit une désintégration β- dans 0,276 % des cas, conduisant au polonium 211, (d'une demi-vie de 0,516 s).
    Ce dernier se désintègre en plomb 207, stable, par une décroissance α.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d Sauf précision contraire un an ou une année est une année julienne soit 365,25 jour exactement = 31 557 600 s

Références[modifier | modifier le code]