Nucléide primordial

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  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
  * Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
 
  Pb   Un isotope au moins de cet élément est stable
  Cm   Un isotope a une période d'au moins 4 millions d'années
  Cf   Un isotope a une période d'au moins 800 ans
  Md   Un isotope a une période d'au moins 1 journée
  Bh   Un isotope a une période d'au moins 1 minute
  Uuo   Aucun isotope connu avec certitude n'a de période dépassant 1 minute
Abondance (en fraction atomique par rapport au silicium) des éléments chimiques dans la croûte terrestre externe en fonction de leur numéro atomique(Z). Les éléments les plus rares (en jaune) ne sont pas les plus lourds mais les plus sidérophiles (fréquemment associés au fer) dans la classification géochimique. Ils ont été épuisés par migration en profondeur dans le noyau terrestre. Leur abondance dans les météoroïdes est plus élevée. De plus, le tellure et le sélénium ont été épuisés par formation d'hydrures volatils. Les « discontinuités » entre hydrogène et lithium ; fluor et sodium ; chlore et potassium ; brome et rubidium ; iode et césium correspondent aux gaz nobles : hélium ; néon ; argon ; krypton ; xénon.
La « discontinuité » du technétium (43 protons) -aucun isotope stable- se situe entre molybdène et ruthénium ; celle du prométhium (61 protons) entre le néodyme et le samarium. Enfin il n'existe aucun isotope stable entre le bismuth (83 protons) et le thorium (91 protons)(le « trio » formé par les uraniums 235 et 238 et le thorium 232 constituent clairement un « îlot de stabilité » distinct du reste des éléments présents dans la nature).

En géochimie et en physique géonucléaire, un nucléide primordial, ou isotope primordial, est un nucléide trouvé sur Terre et qui existait sous sa forme actuelle avant que la Terre ait été formée, selon la théorie de l'évolution des étoiles. 288 de ces nucléides sont connus. Parmi eux, 255 sont des nucléides stables, les 33 autres sont radioactifs avec une demi-vie suffisamment longue pour avoir survécu depuis la formation de la Terre.
La demi-vie seuil de présence sur la Terre à un niveau détectable d'un radionucléide primordial est proche de celle du plutonium 244 soit 80,8 Ma = 80,8 ×106 a.

Seuil de détection de présence sur la Terre[modifier | modifier le code]

On fait ici l'hypothèse assez couramment admise, que les corps présents sur Terre n'ont pour origine que ceux présent dans le système solaire au moment de sa formation et qu'il n' y a pas eu « d'apport extérieur » au système solaire depuis cette époque.
L'âge de la formation du système solaire et de la Terre, est estimé grossièrement à 4,57 milliards d'années (on remarque que l'âge de la Terre et du système solaire n'ont pas grand sens physique sachant que les phénomènes n'ont certainement pas été instantanés). La demi-vie des nucléides radioactifs doit être supérieure à 50 millions d'années pour qu'ils soient encore disponibles en quantité observable. Par exemple, pour un nucléide de demi-vie de 60 millions d'années, 76,17 demi-vies se sont écoulées depuis la formation de la Terre, c'est-à-dire que pour chaque mole (soit : 6,02214129×1023 atomes) de ce nucléide présente à cette date, il ne reste que 7,1 atomes aujourd'hui (6,02214129×1023×2(1/76,17)). Pour 50 millions d'années, il n'en resterait « aucun ». Saura-t-on un jour détecter un isotope présent en concentration atomique raison de moins de  {1\over\mathcal{N}_A} dans un autre corps chimique, même différent ? Cela reste une conjecture.

Les isotopes aux périodes de demi-vies les plus courtes dans la liste des 33 radionucléides primordiaux sont, par ordre de période croissante :
le plutonium 244, l'uranium 235, l'uranium 238, le thorium 232, le potassium 40, et le samarium 146. Ce sont les six nucléides qui ont des demi-vies comparables à, ou inférieures à, l'âge estimé de l'univers. Pour une liste complète des 33 radionucléides primordiaux, incluant les 27 suivants, qui ont une demi-vie, bien plus longue que l'âge de l'univers, consultez la liste dans la section ci-dessous :

Un candidat pour l'instant dépité : le niobium 92[modifier | modifier le code]

Par ordre de demi-vie décroissante, le premier radionucléide suivant ceux indiqués dans la table est le niobium 92 avec une demi-vie de 3,47×107 a soit 1,09505×1015 s (Voir liste des nucléides pour la liste de tous les nucléides de demi-vie supérieure à 60 minutes). Pour être considéré comme primordial, le niobium 92 devrait avoir survécu à au moins 131,7 demi-vies depuis la formation de la Terre, ce qui signifierait que sa concentration initiale aurait diminué d'un facteur égal à 4,42×1039. À ce jour, il n'a pas été détecté.

Le cas du plutonium 244[modifier | modifier le code]

Il a été montré que le dernier radionucléide de la liste par ordre de demi-vie décroissante, le plutonium 244, d'une demi-vie de 8,08×107 a = 2,54985×1015 s est primordial, bien que sa concentration dans un petit nombre de minerais soit d'à peine la 1018 e partie de la masse totale du minerai[Note 1],[1],[2]. En prenant en compte le fait que tous les radionucléides de demi-vie inférieure à celle du plutonium 244 (donc non considérés comme primordiaux) doivent exister depuis au moins 4,58 milliards d'années, c'est-à-dire, avoir survécu à 56,7 demi-vies du plutonium 244, leur nombre initial est maintenant réduit par un facteur au moins égal à de 256,7, c'est-à-dire près de 1,157×1017 [3].

Liste des nucléides primordiaux radioactifs[modifier | modifier le code]

Bien qu'il soit estimé que 33 nucléides primordiaux soient radioactifs, il est devenu extrêmement difficile de déterminer leur nombre exact, car le nombre total de nucléides complètement stables est incertain. Il existe de nombreux isotopes à la période de demi-vie extrêmement longue que nous ne connaissons toujours pas. Par exemple, il est établi théoriquement que tous les isotopes du tungstène, y compris ceux indiqué comme stables par les méthodes empiriques modernes, doivent être radioactifs et doivent se désintégrer en émettant un rayonnement α, mais, en 2009, cela n'a pu être mesuré expérimentalement que pour le tungstène 180[4]. Néanmoins, les nucléides dont la durée de demi-vie est si longue qu'ils n'ont pas pu être mesurés avec les instruments actuels sont considérés de ce point de vue comme des nucléides stables. Cependant, même si ces nucléides « stables » étaient identifiés comme radioactifs, le fait qu'ils passent de la liste stables à la liste instables des nucléides primordiaux ne changerait pas le nombre total de nucléides primordiaux identifiés.

Les autres « raté de peu »[modifier | modifier le code]

Outre le niobium 92 deux autres radionucléides échappent de peu à la gloire de la nomination comme « primordial » :

  • L 'uranium 236 qui a une demi-vie de 23,42×106 ans, donc proche de celle du niobium 92. Petit fils du plutonium 244 dans la chaîne de désintégration du thorium 232, il n'est donc pas primordial et n'est pas détecté dans le minerai de thorium 232, « d'assez peu » somme toute. En tant qu'hypothétique traceur d'une réaction en chaine de fission de l'uranium 235, on lui redonne une chance 2,62 milliards d'années après la formation de la Terre à Oklo au Gabon. Mais décidément rien à faire, il n'est pas non plus détecté dans le minerai de cette mine, il reste dans l'oubli.
  • Le curium 247 avec sa demi-vie de 15,6×106 ans, ne doit qu'à un facteur 5,2 sur le paramètre demi-vie de ne pas être désigné à la place du plutonium 244 comme l'isotope le plus lourd existant sur Terre à l'état naturel.
  • L' iode 129 a une demi-vie de 15,7×106 ans, quasiment égale à celle du curium 247, malgré sa notoriété nucléaire en tant que produit de fission à vie très longue elle n'a pas bénéficié d'une nomination malgré sa présence non détectée à Oklo.
Autre remarque 

Si on met à part le cas limite du plutonium 244 qui demeure une rareté, les autres radionucléides de la liste des radionucléides primordiaux sont présents sur la Terre en quantité clairement mesurable comme notamment l'uranium 235 et 238 qui précèdent immédiatement le plutonium 244 dans la liste.

Occurrence naturelle de radionucléides non-primordiaux[modifier | modifier le code]

Quelques isotopes instables qui apparaissent naturellement (tels le carbone 14, le tritium et le plutonium 239) ne sont pas primordiaux, puisqu'ils doivent être constamment régénérés. Cela se produit par rayonnement cosmique (dans le cas du carbone 14 et du tritium par exemple), ou (rarement) par une processus de transmutation géonucléaire (capture de neutrons de l'uranium dans le cas du plutonium 239). D'autres exemples communs de nucléides naturels mais non-primordiaux sont le radon, le polonium et le radium, qui sont tous des nucléides radiogéniques, issus de la désintégration de l'uranium et que l'on trouve dans les minerais d'uranium. Une série radiogénique similaire est dérivée du nucléide primordial de longue demi-vie thorium 232. Tous ces nucléides ont des demi-vies bien plus courtes que celles du nucléide radioactif primordial dont ils sont issus.

Il existe ainsi naturellement sur terre 51 nucléides radioactifs non-primordiaux (sur le total d'un peu moins de 340 nucléides que l'on trouve naturellement sur Terre).

Occurrence naturelle des nucléides stables[modifier | modifier le code]

Comme indiqué, ces nucléides sont au nombre de 255. Pour une liste complète de ces 255 nucléides aujourd'hui considérés comme « stables », voir les articles : liste des isotopes stables et liste de nucléides. Ces questions n'ont pas cependant pas d'impact sur le caractère primordial, ou pas, des nucléides, puisque tous les nucléides « quasi stables », avec une demi-vie supérieure à l'âge de l'univers, sont aussi primordiaux.

Liste des 33 radionucléides primordiaux et leurs demi-vies mesurées[modifier | modifier le code]

Les 33 radionucléides primordiaux sont listés par ordre de stabilité, du plus stable au moins stable. Les demi-vies sont indiquées en secondes, et doivent être divisées par 3,1557600×107 [Note 2] pour obtenir la demi-vie en année. La plus longue a une demi-vie de 2,2×1024 années (160 millions de millions de fois l'âge de l'univers, qui est d'environ 4,32×1017 s). Seuls six de ces 33 nucléides ont une demi-vie inférieure ou égale à l'âge de l'univers. Les 27 restant ont des demi-vies bien plus longues. La plus courte demi-vie d'un isotope primordial détecté à ce jour est de seulement 80 millions d'années pour le plutonium 244, moins de 2 % de l'âge du système solaire et de la Terre.

no nucléide énergie demi-vie (s) mode de désintégration énergie de désintégration (MeV) ratio de la demi-vie sur l'âge de l'univers
256 128Te 8,743261 6,9×1031 β-β- 2,530 1,6×1014
257 76Ge 9,034656 5,62×1028 β-β- 2,039 1,30×1011
258 82Se 9,017596 3,408×1027 β-β- 2,995 7,89×109
259 116Cd 8,836146 9,783×1026 β-β- 2,809 2,27×109
260 48Ca 8,992452 7,258×1026 β-β-; β 4,274 ; 0,0058 1,68×109
261 96Zr 8,961359 6,3×1026 β-β-; β 3,4 1,5×109
262 209Bi 8,158689 5,996×1026 α 3,137 1,39×109
263 130Te 8,766578 2,777×1026 β-β- 0,868 6,43×108
264 150Nd 8,562594 2,493×1026 β-β- 3,367 5,77×108
265 100Mo 8,933167 2,461×1026 β-β- 3,035 5,70×108
266 151Eu 8,565759 1,578×1026 α 1,9644 3,65×108
267 180W 8,347127 5,680×1025 α 2,509 1,31×108
268 50V 9,055759 4,418×1024 K; β 2,205 ; 1,038 1,02×107
269 113Cd 8,859372 2,430×1023 β 0,321 5,63×105
270 148Sm 8,607423 2,209×1023 α 1,986 5,11×105
271 144Nd 8,652947 7,227×1022 α 1.905 1,67×105
272 186Os 8,302508 6,312×1022 α 2,823 1,46×105
273 174Hf 8,392287 6,312×1022 α 2,497 1,46×105
274 115In 8,849910 1,392×1022 β 0,499 3,22×104
275 152Gd 8,562868 3,408×1021 α 2,203 7,89×103
276 130Ba 8,742574 2,2×1021 KK 2,620 5,09×103
277 190Pt 8,267764 2,051×1019 α 3,252 47,5
278 147Sm 8,610593 3,345×1018 α 2,310 7,74
279 138La 8,698320 3,219×1018 K; β 1,737 ; 1.044 7,45
280 87Rb 9,043718 1,568×1018 β 0,283 3,63
281 187Re 8,291732 1,300×1018 β; α 0,0026 ; 1,653 3,01
282 176Lu 8,374665 1,187×1018 β 1,193 2,75
283 232Th 7,918533 4,434×1017 α; FS 4,083 1,03
284 238U 7,872551 1,410×1017 α; FS 4,270 0,326
285 40K 8,909707 3,938×1016 β; K; β+ 1,311 ; 1,505 ; 1,505 0,091 2
286 235U 7,897198 2,222×1016 α; FS 4,679 0,051 4
287 146Sm 8,626136 3,250×1015 α 2,529 0,007 52
288 244Pu 7,826221 2,525×1015 α; FS 4,666 0,005 84

Légende :

no (nombre)

Un entier positif utilisé comme référence. Ces nombres pourraient changer dans le futur puisque plus de 165 nucléides théoriquement instables n'ont pas été établi comme tel expérimentalement. Le premier nombre commence à 256, pour faire suite aux 255 nucléides non encore établi radioactifs.

colonne du nucléide

Les identifiants du nucléide sont donnés par leur nombre de masse A et le symbole de l'élément chimique correspondant (impliquant un unique nombre de protons). Dans les rares cas où ils ne sont pas à leur plus bas niveau d'énergie, un « m » pour métastable apparait à côté du nombre de masse.

colonne énergie

La colonne étiquetée « énergie » indique la masse du nucléon moyen de ce nucléide par rapport à la masse d'un neutron (donc tous les nucléides prennent une valeur positive) en MeV, formellement : mnmnuclide / A.

colonne demi-vie

Toutes les durées sont données en secondes (3,1557600×107 s = 1 a).

colonne mode de désintégration
α rayonnement α
β rayonnement β
K Capture électronique
KK double Capture électronique
β+ émission de positron (rayonnement β+)
FS fission spontanée
β-β- double rayonnement β
β+β+ double émission de positron (rayonnement β+)
I Isomérie nucléaire
p émission d'un proton
n émission d'un neutron
colonne d'énergie de désintégration

Les multiples valeurs pour des énergies (maximales) de désintégration sont calquées sur l'ordre proposé pour le mode de désintégration.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le plutonium 244 n'est pas produit dans les réacteurs nucléaires à fission dans le cours du cycle cycle du combustible nucléaire car la capture neutronique par le 242Pu donne du 243Pu, dont la période n'est que de cinq heures et qui donne de l'américium 243 par désintégration β avant d'avoir une probabilité significative de capturer un neutron supplémentaire pour conduire au plutonium 244. A fortiori, il n'est pas productible par voie naturelle par irradiation cosmique des minerais d'uranium. Il n'a pas été détecté à Oklo. On peut en déduire que Le plutonium 244 détecté sur Terre est donc d'origine primordiale. À remarquer que des captures neutroniques successives peuvent avoir lieu à partir des matières fissiles utilisées dans le cours des explosions nucléaires sur Terre, les quantités produites sont faibles. Les estimations faites ont confirmé le caractère primordial du Pu 244.
  2. L'utilisation de l'année julienne (a) = 31557600 = 3,15576×107 s — unité de temps reconnue même en astronomie pour la définition de l'année-lumière — est recommandée étant donnée la complexité de définition et les fluctuations de l'année astronomique.

Références[modifier | modifier le code]

  1. . D.C. Hoffman, F.O. Lawrence, J.L. Mewherter et F.M. Rourke, « Detection of Plutonium-244 in Nature », Nature, vol. 234, no 5325,‎ 1971, p. 132–134 (DOI 10.1038/234132a0, Bibcode 1971Natur.234..132H)
  2. S. Maji, S. Lahiri, B. Wierczinski et G. Korschinek, « Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis », Analyst, vol. 131, no 12,‎ 2006, p. 1332–1334 (PMID 17124541, DOI 10.1039/b608157f, Bibcode 2006Ana...131.1332M)
  3. P.K. Kuroda, « Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature », Accounts of Chemical Research, vol. 12, no 2,‎ 1979, p. 73–78 (DOI 10.1021/ar50134a005)
  4. (en) National Nuclear Data Center, « Interactive Chart of Nuclides (Nudat2.5) » (consulté le 22-06-2009)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]