Radioactivité

Trois types de rayonnement ionisant

Un noyau instable peut se débarrasser d'énergie et de charge de trois façons fondamentalement différentes. Les rayonnements alpha et bêta ont été distingués dès 1899 par Ernest Rutherford, sur la base de leur pouvoir de pénétration différent ; le rayonnement gamma, encore plus pénétrant et découvert en 1900 par Paul Villard, a été intégré par Rutherford dans ce schéma en 1903 — bien avant que la nature exacte des trois types de rayonnement ne soit connue.

Comparaison des pouvoirs de pénétration : le rayonnement alpha est déjà arrêté par la peau ou une feuille de papier, le bêta nécessite de l'aluminium, le gamma seulement un blindage de plomb épais.

Demi-vie

La désintégration radioactive est un pur processus aléatoire à l'échelle du noyau individuel — personne ne peut prédire à quel moment précis un atome donné va se désintégrer. Mais pour un grand nombre de noyaux, il en résulte une loi statistique exacte : à chaque intervalle de temps égal, la demi-vie t_½, exactement la moitié des noyaux encore présents se désintègre — indépendamment du nombre de départ.

Les demi-vies varient énormément : le polonium 214 se désintègre en un dixième de milliseconde, tandis que l'uranium 238 a besoin de 4,5 milliards d'années — presque l'âge de la Terre. Cette constance fait des isotopes radioactifs des « horloges » d'une grande précision, comme dans la méthode de datation au carbone 14.

Chaînes de désintégration & équilibre radioactif

De nombreux noyaux lourds n'atteignent pas la stabilité en une seule étape. L'uranium 238, par exemple, traverse toute une chaîne de désintégration de quatorze désintégrations alpha et bêta successives, avant d'aboutir finalement au plomb 206 stable. Chaque produit intermédiaire de cette chaîne est lui-même de nouveau radioactif, avec sa propre demi-vie, souvent très différente.

La valeur de 1,17 minutes s'applique à l'isomère de courte durée de vie Protactinium-234m, qui se forme dans plus de 99,8 % des cas ; le reste, le Protactinium-234 à durée de vie plus longue (état fondamental, demi-vie ≈ 6,7 heures), aboutit lui aussi à l'uranium 234, mais par une voie secondaire plus rare.

La première étape de cette chaîne — la désintégration alpha de l'uranium 238 — montre à quel point les demi-vies réagissent avec sensibilité à la physique sous-jacente. Pour qu'une particule alpha (un noyau d'hélium) se détache du noyau d'uranium, elle devrait, d'un point de vue classique, franchir la barrière coulombienne — la répulsion électrique entre elle et le reste du noyau chargé positivement, contre laquelle elle n'a en réalité pas assez d'énergie. Elle y parvient tout de même, mais uniquement grâce à l'effet tunnel quantique : une probabilité faible, mais non nulle, de traverser cette barrière à chaque tentative, plutôt que de la franchir. La faiblesse de cette probabilité dépend de façon extrêmement sensible de l'énergie libérée lors de la désintégration — et l'uranium 238 en libère étonnamment peu (environ 4,3 contre jusqu'à 9 mégaélectronvolts (MeV) pour d'autres émetteurs alpha). Cela rend la barrière comparativement épaisse et la tentative de tunnel extrêmement rarement couronnée de succès : un noyau d'uranium unique « tente » sa chance un nombre incalculable de fois par seconde, mais échoue presque toujours — en moyenne statistique, il n'y parvient qu'après 4,47 milliards d'années.

La même chaîne de désintégration, mais représentée sur la carte des nucléides (N en fonction de Z) plutôt que sous forme de chaîne linéaire : chaque désintégration alpha saute de deux cases vers la gauche et de deux vers le bas (Z−2, N−2), chaque désintégration bêta se déplace d'une case vers la droite et d'une vers le bas (Z+1, N−1). Même couleur = même élément, indépendamment du défaut de masse — U, Po et Pb apparaissent plusieurs fois sous forme d'isotopes différents.