Chaîne de désintégration
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La chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou encore désintégration en cascade, désigne la série de désintégrations, apparaissant par transformation spontanée d'un radioisotope instable, permettant d'arriver à un élément chimique dont le noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite...) est stable (c.-à-d. non radioactif). Le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) est généralement le point (Graphie) stable auquel les chaînes de désintégration s'arrêtent.

On définit ainsi une filiation radioactive comme la stabilisation du noyau instable appelé " mère " en une succession de désintégration. Chaque étape est caractérisée par un état intermédiaire correspondant à un radionucléide appelé " fille " de l'élément mère.

Pour certains éléments il peut se produire spontanément non pas une désintégration, mais une fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus...), initialisant plusieurs chaînes de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 se transforme en deux produits de fission en émettant quelques neutrons.

Lors d'une simple désintégration, l'élément radioactif subit différents modes de désintégration : il peut émettre soit un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) (alpha, bêta plus ou bêta moins, et se transforme en un autre élément appelé produit de désintégration. Le rayonnement alpha consiste en l'émission d'un noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...), constitué de deux neutrons et deux protons ; le rayonnement bêta moins consiste en l'émission d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) (chargé négativement) ; le rayonnement bêta plus par celle d'un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) (ou anti-électron).

Rayonnement alpha

Par exemple, un noyau lourd d'uranium 238 émet un rayon alpha et devient du thorium 234 : {}^{238}\hbox{U}\;\to\;^{234}\hbox{Th}\;+\;\alpha

Les désintégrations alpha diminuent de quatre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de nucléons (protons + neutrons) et donc la masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12 unités....). Pour cette raison les masses atomiques des noyaux issus d’une même filiation différent par un multiple de quatre.

Chaque rayon alpha est un noyau d'hélium constitué de deux protons et deux neutrons, c'est pourquoi lors d'une désintégration alpha, le numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être...) diminue de deux, tandis que l'excédent de neutrons du noyau lourd s'accentue. Pour rétablir un rapport numéro atomique/masse atomique plus équilibré, des désintégrations bêta deviennent donc nécessaires.

Rayonnement bêta moins

Par exemple, un noyau de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis...) devient un noyau d'hélium 3 : {}^{3}\hbox{H}\;\to\;^{3}\hbox{He}\;+\;e^-.

Les désintégrations bêta ne changent pas le nombre de nucléons. L'émission bêta moins correspond à l'éjection d'un électron à partir du noyau, au sein duquel un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni...) se transforme en proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.).

Rayonnement bêta plus

Par exemple, un noyau de Fluor 18 devient un noyau d'oxygène 18 : {}^{18}\hbox{F}\;\to\;^{18}\hbox{0}\;+\;\mathrm{e}^+.

L'émission bêta plus est un mode de désintégration du noyau, au sein duquel un proton se transforme en neutron avec éjection d'un positon.

Pour le cas du carbone 14, il émet un rayon bêta moins et se transforme en azote 14.

Filiation de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou...) 238

L'uranium 238 est l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) d'uranium qui représente plus de 99 % de l'uranium naturel. L'uranium 238 est fissible et radioactif, il se désintègre naturellement en plomb 206, stable et non radioactif. Parmi les descendants de l'uranium 238, le radon (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de numéro atomique 86. C'est un gaz rare, radioactif, d'origine naturelle, qui est...) est un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout...) radiotoxique qui peut provoquer le cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière que la survie de ce...) du poumon (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de l'organisme, et le dioxyde de carbone doit...) en cas d'inhalation.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la...)
Uranium 238 238U Radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique naturel au...) α env. 4,5 milliards d'années
Thorium 234 234Th Radioactivité β 24 j
Protactinium 234 234Pa Radioactivité β 1,2 min
Uranium 234 234U Radioactivité α 250 000 ans
Thorium 230 230Th Radioactivité α 75 000 ans
Radium (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.) 226 226Ra Radioactivité α 1 600 ans
Radon 222 222Rn Radioactivité α 3,8 j
Polonium (Le polonium est un élément chimique de symbole Po et de numéro atomique 84. C'est un métalloïde dont l'isotope 210Po est présent naturellement à l'état de traces dans les...) 218 218Po Radioactivité α 3 min
Plomb 214 214Pb Radioactivité β 27 min
Bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) 214 214Bi Radioactivité β 20 min
Polonium 214 214Po Radioactivité α 160 μs
Plomb 210 210Pb Radioactivité β 22,3 ans
Bismuth 210 210Bi Radioactivité β 5 j
Polonium 210 210Po Radioactivité α 138 j
Plomb 206 206Pb stable  

Source : Le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) provient de "La Gazette Nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :)", n°221/222, juin 2005 (lien)

La longue demi-vie de l'uranium 238 explique qu'on en trouve encore sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) à l'état naturel et qu'il n'ait pas encore été complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) transformé en plomb.

Filiation du plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux États-Unis...) 239

Le plutonium 239 est un métal lourd (La notion d'élément-traces métalliques, ou ETM (anciennement métaux lourds), est actuellement une notion relativement floue, sans définition scientifique, technique ou juridique qui soit unanimement reconnue. A...) artificiel, utilisé pour fabriquer des têtes nucléaires et du combustible MOX (Le Combustible MOX (abréviation de mixed oxide) est un combustible nucléaire fabriqué à partir du plutonium et de l'uranium appauvri. Le terme MOX est l'abréviation de : "Mélange d'OXydes". Le...). Le plutonium 239 est aussi contenu dans certains déchets radioactifs, il est cependant difficile à détecter. 239Pu est fissile, radioactif et instable, il se désintègre naturellement en Plomb 207, stable. Des études sur un chien (Le chien (Canis lupus familiaris) est un mammifère domestique de la famille des canidés, proche du loup et du renard. Autrefois regroupé...) ont montré que l'inhalation de plusieurs dizaines de microgrammes de plutonium-239 dans les poumons augmenteraient considérablement les risques de cancer du poumon (lien). Une chaîne de désintégration (La chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou encore désintégration en cascade, désigne la série de désintégrations, apparaissant par transformation spontanée d'un radioisotope instable, permettant...) simplifiée du plutonium 239 est illustrée ci-dessous.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie
Plutonium 239 239Pu Radioactivité α 24 110 ans
Uranium 235 235U Radioactivité α 704 000 000 ans
Thorium 231 231Th Radioactivité β 25,2 h
Protactinium 231 231Pa Radioactivité α 32 700 ans
Actinium 227 227Ac Radioactivité β 21,8 ans
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  

Filiation du plutonium 241

Le plutonium 241 est un isotope fissile, mais rarement utilisé séparément en raison de la difficulté à le produire en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...), 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 créé un danger semblable à celui du plutonium.

Élément chimique Rayonnement Demi-vie
Plutonium 241 241Pu Radioactivité β 14,4 ans
Américium 241 241Am Radioactivité α 432,7 ans
Neptunium 237 237Np Radioactivité α 2 140 000 ans
Protactinium 233 233Pa Radioactivité β 27 j
Uranium 233 233U Radioactivité α 159 000 ans
Thorium 229 229Th Radioactivité α 75 400 ans
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 trillion d'années
Thallium 205 205Tl stable  
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