Depuis le début des expérimentations scientifiques, le principe de transmutation de la matière est infirmé. Cependant, 6 chaînes de désintégration vont à l’encontre dudit principe.
1. Les types de désintégrations
Dans la nature, la majorité des atomes sont des isotopes stables. Cependant, certains sont instables car très volumineux, et ce que l’on appelle l’interaction forte[1], qui lie les particules de l’atome entre elles et que l’on nomme ainsi faute d’informations, parvient difficilement à maintenir, et il suffit que cet atome reçoive un neutron. Cet arrivant inattendu compromet fortement l’équilibre atomique de l’élément, tant et si bien que l’atome se désintègre, c’est-à-dire qu’il se sépare en une ou plusieurs parties, ce qui forme de nouveaux atomes, et libère beaucoup d’énergie1. Cette désintégration peut produire en outre une réaction en chaîne, c’est-à-dire lorsque les particules provenant d’une désintégration d’un atome pénètre dans le noyau d’un autre en le faisant se désintégrer lui aussi et lorsqu’il concerne un grand nombre d’éléments, s’ils ont atteint la masse critique. Cette désintégration de l’atome peut se faire de trois manières :
- Il y a tout d’abord la désintégration de type alpha noté α est caractérisée par l’émission par le noyau d’une particule alpha, qui correspond à un noyau d’hélium 4.
- Il y a aussi celle de type bêta noté β qui est divisée en deux branches :
- Notamment observée chez les noyaux trop riches en neutrons, la désintégration bêta moins transforme un neutron en proton et émet une particule β- (bêta moins), en d’autres termes un électron.
- Principalement observée chez les noyaux cette fois-ci trop riches en protons, la désintégration bêta plus convertit un neutron en proton en neutron et émet une particule β+, c’est-à-dire un positon (l’élément d’antimatière[2] correspondant à l’électron).
- Il y a enfin la désintégration de type gamma notée γ qui concerne les nouvelles particules émises par une désintégration précédente. Lesdites particules sont alors dans un état très excité. Cette désintégration permet aux particules de se « calmer » en émettant un photon gamma. Cette transformation a pour principale curiosité que l’atome qui se désintègre de cette façon ne disparaît pas, et cette désintégration est fréquente dans les noyaux atomiques radioactifs venant d’être engendrés par désintégration d’un élément précédent, pour faire disparaître son excédent d’énergie due à la désintégration créatrice.
Ces chaînes ont un grand impact sur les chaînes de désintégration, car elles déterminent l’élément qui naîtra de la désintégration de l’élément-père. Ainsi, certaines chaînes possèdent des parallèles dues à la possibilité pour certains éléments de se désintégrer de deux manières différentes, ce qui crée potentiellement deux éléments différents.
II/ La découverte des filles de l’uranium
Il s’agissait tout d’abord de résoudre une énigme venant d’une expérience de William Crookes (1832-1919) datée de 1900. Il avait découvert dans de l’uranium chimiquement pur une substance soluble dans de l’hydroxyde d’ammonium et le carbonate d’ammonium qu’il nomma Uranium-X (il s’agira en réalité de protactinium), et celui-ci en conclut qu’il s’agissait d’une impureté. Le grand scientifique français Henri Becquerel (1852-1908), qui avait découvert les propriétés de l’uranium en 1896, retenta l’expérience l’année suivante, obtint le même résultat mais ne trouva pas le mystérieux mécanisme, bien qu’il eût remarqué des faits tendant à exclure l’hypothèse d’une impureté.
Ce sont réellement les travaux conjoints de Frederick Soddy et d’Ernest Rutherford à l’orée du XXème siècle (1900-1901) qui vont changer la donne en démontrant l’hypothèse des chaînes de désintégration. Ces travaux en esquissent 3 :
- La chaîne de l’uranium (avec plusieurs stades de l’uranium, noté X1, X2…, ionium, radium (stades notés de A à G))
- La chaîne du thorium (avec du mésothorium noté I, II etc. puis du thorium noté de A à D)
- La chaîne de l’actinium (alternance d’actinium et de radioactinium, noté A, B, C…)
Naturellement, les appellations littérales caractérisaient des éléments atomiques existants et observés, mais, faute d’informations, on n’a pas pu leur donner de nom.
L’identification des éléments entrant dans ces chaînes sera parachevée durant tout le XXème siècle, avec beaucoup de travaux dédiés, dont il faut retenir ceux plus ou moins ensemble d’Otto Hahn et de Lise Meitner, qui découvrirent les éléments se cachant sous les étiquettes de radiothorium et de certaines formes de radium, de thorium et de mésothorium.
III/ Brèves biographies des grands chimistes qui ont intervenu de façon importante dans la découverte des chaînes de désintégration
- Frederick Soddy (1877-1956) est un grand chimiste anglais, célèbre pour sa loi atomique de conservation lors de désintégrations (loi de Soddy), et pour la découverte de la notion d’isotope (atome possédant le même nombre de protons qu’un atome défini, mais possède un nombre différent de neutrons). Pour ces travaux, il obtint le prix Nobel de Chimie en 1921.
- Ernest Rutherford (1871-1937) est lui aussi un grand atomiste britannique, célèbre pour son modèle atomique mentionnant les charges électriques. Il sera le grand découvreur des désintégrations alpha et bêta. Il recevra lui aussi le prix Nobel en 1908.
- Otto Hahn (1878-1968) est un chimiste allemand, directeur du département radioactivité de l’Institut du Kaiser-Wilhelm dès sa création. Ses travaux avec Lise Meitner notamment lui permettront de réaliser en 1938 la fission de l’uranium, premier pas vers une potentielle bombe atomique allemande via le projet Uran, ce qui lui vaudra le prix Nobel de chimie en 1944[3].
- Lise Meitner (1878-1968) est une grande physicienne autrichienne. Devenue une des premières doctorantes en physique en 1906, elle deviendra la collaboratrice d’Otto Hahn en devenant la directrice du département de physique à l’Institut du Kaiser-Wilhelm en 1917. Elle s’exilera en Suède en 1938 pour fuir les persécutions antisémites nazies.
IV/ Les chaînes de désintégration
Elles sont au nombre de 4, et elles se notent entre 4n+un nombre entre 0 et 3, auxquelles il faut rajouter celles des produits de fission :
- La chaîne 4n+0 du thorium
- La chaîne 4n+1 du plutonium
- La chaîne 4n+2 de l’uranium 238
- La chaîne 4n+3 de l’uranium 235
Ces chaînes partent d’un élément radioactif et _après diverses désintégrations_ perdent de l’énergie (exploitée partiellement dans des centrales nucléaires et dans les bombes atomiques), jusqu’à atteindre un élément physiquement stable (plomb…)
En voici l’étude en détail.
a. La chaîne 4n+0 du thorium
Cette chaîne part du plutonium 244 et passe par divers isotopes d’uranium, de neptunium, de thorium, d’actinium, de radium, de plutonium, de bismuth et de polonium pour arriver au plomb 208.
| Éléments chimiques |
Formule de l’élément |
Type de désintégration |
Demi-vie |
Masse critique (en kg) et autres informations (chaleur de fission et nombre de neutrons libérés durant la réaction) |
| Plutonium 244 |
244Pu |
Alpha |
80 millions d’années |
|
| Uranium 240 |
240U |
Bêta-moins |
14 heures 6 minutes |
|
| Neptunium 240 |
240Np |
Bêta-moins |
1 heure 2 minutes |
|
| Plutonium 240 |
240Pu |
Alpha |
6560 années |
37 (chaleur de fission de 7 W/kg et libération d’1 million de neutrons/kg/s) |
| Uranium 236 |
236U |
Alpha |
23 420 milliers d’années |
|
| Thorium 232 |
232Th |
Alpha |
14 050 millions d’années |
|
| Radium 228 |
228Ra |
Bêta-moins |
5 ans 9 mois |
|
| Actinium 228 |
228Ac |
Bêta-moins |
6 heures 15 minutes |
|
| Thorium 228 |
228Th |
Alpha |
1,19 année |
|
| Radium 224 |
224Ra |
Alpha |
6,63 jours |
|
| Radon 220 (Thoron) |
220Rn |
Alpha |
55,6 secondes |
|
| Polonium 216 |
216Po |
Alpha |
0,145 secondes |
|
| Plomb 212 |
212Pb |
Bêta-moins |
10,64 heures |
|
| Bismuth 212 |
212Bi |
Bêta-moins : 64,06%
Alpha : 35,94% |
60,55 minutes |
|
| Polonium 212 (si le bismuth 212 subit une désintégration bêta-moins) |
212Po |
Alpha (débouche directement sur le plomb 208) |
0,3 microsecondes |
|
| Thallium 208 (si le bismuth 212 subit une désintégration alpha) |
208Ti |
Bêta-moins (débouche directement sur le plomb 208) |
3,053 minutes |
|
| Plomb 208 |
208Pb |
Stable |
|
|
b. La chaîne 4n+1 du neptunium 237
Cette série est la seule des quatre actuellement artificielle, car la durée de vie de cette série est très courte, ce qui fait que tous les éléments de cette chaîne ont déjà abouti à l’isotope stable. La chaîne n’existant plus, elle est artificiellement reproduite en réacteur.
| Élément atomique |
Formule de l’élément |
Type de désintégration |
Demi-vie
|
Masse critique (en kg) et autres informations (chaleur de fission et nombre de neutrons libérés durant la réaction) |
| Plutonium 241 |
241Pu |
Bêta-moins |
14,4 années |
13 (chaleur de fission de 6,4 W/kg et libération de 49 neutrons/kg/s) |
| Américium 241 |
241Am |
Alpha |
432,7 années |
57 (chaleur de fission de 57 W/kg et libération de 1500 neutrons/kg/s) |
| Neptunium 237 |
237Np |
Alpha |
2,14 millions d’années |
59 (chaleur de fission de 0,021 W/kg et 0,14 neutron libéré/kg/s) |
| Protactinium 233 |
233Pa |
Bêta |
27 journées |
|
| Uranium 233 |
233U |
Alpha |
159 milliers d’années |
16 kg (chaleur de fission de 0,28 W/kg et 1,2 neutron libéré/kg/s) |
| Thorium 229 |
229Th |
Alpha |
75,4 milliers d’années |
|
| Radium 225 |
225Ra |
Bêta |
14,9 journées |
|
| Actinium 225 |
225Ac |
Alpha |
10 journées |
|
| Francium 221 |
221Fr |
Alpha |
4 minutes 48 secondes |
|
| Astate 217 |
217At |
Alpha |
32 millisecondes |
|
| Bismuth 213 |
213Bi |
Alpha |
46 minutes 30 secondes |
|
| Thallium 209 |
209Ti |
Bêta |
2 minutes 12 secondes |
|
| Plomb 209 |
209Pb |
Bêta |
3 heures 15 minutes |
|
| Bismuth 209 |
209Bi |
Alpha |
≈19 x1018 années, soit 19 milliards de milliards d’années |
|
| Thallium 205 |
205Tl |
Stable |
|
|
Il faut cependant pondérer ce qui était dit précédemment. Certes, la durée de vie de la chaîne est courte, mais il faut préciser qu’aucune chaîne n’a atteint le stade du thallium 205 car la demi-vie du bismuth 209 (19 milliards de milliards d’années, soit 1 milliard de fois la distance temporelle entre l’instant présent et la création de l’Univers) l’en empêche.
c. La chaîne 4n+2 de l’uranium 238
C’est une des chaînes les plus présentes dans la nature, comme l’atteste l’exemple de l’uranium 238, qui représente 99,2743% de l’uranium naturel. Cette chaîne a pour particularité d’avoir un élément sui lui est rattaché sans pourtant lui appartenir : c’est le plutonium 238[4]. Celui-ci est relié à cette chaîne par une désintégration alpha en donnant de l’uranium 234. Néanmoins, il n’en fait pas partie car il n’est pas le fruit de la désintégration d’un des éléments de ladite chaîne.
| Élément chimique |
Formule de l’élément |
Type de désintégration |
Demi-vie |
Masse critique (en kg) et autres informations (chaleur de fission et nombre de neutrons libérés durant la réaction) |
| Plutonium 242 |
242Pu |
Alpha |
373 milliers d’années |
89 (chaleur de fission de 0,12 W/kg et libération de 1 700 000 neutrons/kg/s) |
| Uranium 238 |
238U |
Alpha |
4 468 800 000 années |
|
| Thorium 234 |
234Th |
Bêta |
24 journées |
|
| Protactinium 234 |
234Pa |
Bêta |
1 minute 12 secondes |
|
| Uranium 234 |
234U |
Alpha |
245 milliers d’années |
|
| Thorium 230 |
230Th |
Alpha |
75 milliers d’années |
|
| Radium 226 |
226Ra |
Alpha |
1602 années |
|
| Radon 222 |
222Rn |
Alpha |
3 jours 3 heures |
|
| Polonium 218 |
218Po |
Alpha (bêta dans 0,02% des cas) |
3 minutes |
|
| Plomb 214 |
214Pb |
Bêta |
27 minutes |
|
| Bismuth 214 |
214Bi |
Bêta (alpha dans 0,02% des cas) |
20 minutes |
|
| Polonium 214 |
214Po |
Alpha |
160 microsecondes |
|
| Plomb 210 |
210Pb |
Bêta (alpha dans 1 cas sur 50 millions) |
22,3 ans |
|
| Bismuth 210 |
210Bi |
Bêta (alpha dans 13 cas sur 10 millions) |
5 journées |
|
| Polonium 210 |
210Po |
Alpha |
138,376 jours |
|
| Plomb 206 |
206Pb |
Stable |
|
|
d. La chaîne 4n+3 de l’uranium 235
| Élément chimique |
Formule de l’élément |
Type de désintégration |
Demi-vie |
Masse critique (en kg) et autres informations (chaleur de fission et nombre de neutrons libérés durant la réaction) |
| Plutonium 239 |
239Pu |
Alpha |
24 110 années |
10 (chaleur de fission de 2W/kg et libération de 22 neutrons/kg/s) |
| Uranium 235 |
235U |
Alpha |
703,8 millions d’années |
48 (chaleur de fission de 0,00006 W/kg et libération de 0,36 neutron/kg/s) |
| Thorium 231 |
231Th |
Bêta |
25 heures 30 minutes |
|
| Protactinium 231 |
231Pa |
Alpha |
32 700 années |
|
| Actinium 227 |
227Ac |
Bêta |
21,8 années |
|
| Thorium 227 |
227Th |
Alpha |
18,72 jours |
|
| Radium 223 |
223Ra |
Alpha |
11,43 journées |
|
| Radon 219 |
219Rn |
Alpha |
3,96 secondes |
|
| Polonium 215 |
215Po |
Alpha |
1,78 milliseconde |
|
| Plomb 211 |
211Pb |
Bêta |
36 minutes 6 secondes |
|
| Bismuth 211 |
211Bi |
Alpha |
2,15 minutes |
|
| Thallium 207 |
207Tl |
Bêta |
4,77 minutes |
|
| Plomb 207 |
207Pb |
stable |
|
|
Cette chaîne de désintégration est complexe par le fait de la création d’une chaîne parallèle, avec des retours nombreux à la chaîne détaillée ci-dessus en cours de route.
| Éléments chimiques |
Formule de l’élément |
Type de désintégration |
Demi-vie |
Masse critique (en kg) et autres informations (chaleur de fission et nombre de neutrons libérés durant la réaction) |
| Actinium 227 |
227Ac |
Alpha dans 1,38% des cas |
21,8 années |
|
| Francium 223 |
223Fr |
Bêta-moins (alpha dans 0,006% des cas) |
22,007 minutes |
|
| Si désintégration bêta du francium, radium 223 (retour sur la chaîne principale)… |
223Ra |
Alpha |
11,43 journées |
|
| Si désintégration alpha du francium, astate 219 |
219At |
Alpha (bêta moins dans 3% des cas) |
56 secondes |
|
| Si désintégration bêta moins de l’astate, radon 219 (retour sur la chaîne principale)… |
219Rn |
Alpha |
3,96 secondes |
|
| Si désintégration alpha de l’astate, bismuth 215 |
215Bi |
Alpha |
36 minutes 25 secondes |
|
| Si désintégration alpha du bismuth, alors polonium 215 |
215Po |
Alpha (bêta moins dans 0,00023% des cas) |
1,78 milliseconde |
|
| Si désintégration alpha du polonium, continuation sur la chaîne principale |
|
|
|
|
| Si désintégration bêta du polonium, alors astate 215 |
215At |
Alpha |
0,1 milliseconde |
|
| Bismuth 211 |
211Bi |
Alpha (bêta moins dans 0,276% des cas) |
2,15 minutes |
|
| Si désintégration alpha du bismuth, alors retour sur la chaîne principale |
|
|
|
|
| Si désintégration bêta moins du polonium, alors polonium 211 |
211Po |
Alpha |
0,5163 secondes |
|
| Plomb 207 |
Stable |
|
|
|
e. Les chaînes de désintégration des produits de fission
Lors des désintégrations des éléments détaillés ci-dessus, il est courant que le nombre de neutrons et (numéro atomique) et des autres particules (protons et électrons) de la fille soit inférieure à celui de la mère (mais jamais supérieur). D’après les lois de Soddy, découvertes par Frederick Soddy, énonçant que, lors d’une transformation nucléaire, le nombre de nucléons (c’est-à-dire les protons et les neutrons) et la charge électrique est conservée, ces particules manquantes n’ont pas disparues. Ceux-ci, en fait, s’assemblent en plusieurs atomes beaucoup moins massifs (99 à 135 contre 207 à 244 neutrons) mais toujours radioactifs, créant par là deux chaînes de désintégration ; celle de l’yttrium et de l’iode 235. Ces chaînes ont pour particularité de conserver au fil des désintégrations le nombre de nucléons et à peu près une durée de demi-vie équivalente.
Celle de l’yttrium est la plus longue, et en plus de contenir des isotopes, elle contient des isomères, autrement formulé des particules possédant le même nombre de neutrons que l’atome, ou l’isotope, de référence, mais différent de celui-ci au niveau énergétique. Ceux-ci sont notés avec un m rajouté dans la formule de l’isomère, avec parfois un chiffre qui le suit s’il y en a plusieurs, comme dans 99m2Mo.
| Nom de l’élément chimique |
Formule de l’élément |
Demi-vie |
| Yttrium 99 |
99Y |
1,4707 secondes |
| Zirconium 99 |
99Zr |
2,11 secondes |
| Isomère du niobium 99 |
99mNb |
2,62 minutes |
| Niobium 99 |
99Nb |
15,02 secondes |
| Deuxième isomère du molybdène 99 |
99m2Mo |
0,766 microseconde |
| Premier isomère du molybdène 99 |
99m1Mo |
15,52 microsecondes |
| Molybdène 99 |
99Mo |
2,74896 jours |
| Isomère du technétium 99 |
99mTc |
6,005812 heures |
| Technétium 99 |
99Tc |
211 100 années an moyenne, avec des extrêmes à plus ou moins de 1200 années |
| Ruthénium 99 |
99Ru |
Stable |
La deuxième chaîne de désintégration est celle de l’iode 135. Elle contient des particules plus massives que celles de la chaîne de l’yttrium (135 contre 99 neutrons), mais elle est beaucoup plus courte et elle ne possède pas d’isomères.
| Élément chimique |
Formule de l’élément |
Demi-vie |
| Iode 135 |
135I |
6,572 heures |
| Xénon 135 |
135Xe |
9,142 heures |
| Césium 135 |
135Cs |
2 330 000 d’années |
| Baryum 135 |
135Ba |
stable |
V/ Présence de ces éléments radioactifs
La présence naturelle de ces éléments dépend de sa durée de vie, caractérisée par sa demi-vie ou période radioactive, c’est-à-dire la période nécessaire à cet élément pour perdre la moitié de sa radioactivité. Ainsi, certains éléments ont déjà disparu, comme le plutonium 240. Ceux-ci sont alors crées artificiellement, de façon volontaire (laboratoire) ou involontaire (réacteur nucléaire). Ils peuvent aussi dépendre de la durée de demi-vie des éléments précédents. Ainsi, le radium 228, avec les 14 050 millions d’années de demi-vie (supérieur à l’âge de l’Univers) du thorium 232, l’élément le précédent, doit être peu présent par désintégration. De même, le thallium 205 est très rare, voire inexistant dans la chaîne de désintégration, du fait de la demi-vie de 19×1018 ans du bismuth 209 (qui est égale à 1 266 666 666 fois l’âge de l’Univers !). Lorsqu’un élément regroupe tout ou partie de ces avantages dans un lieu, il peut atteindre l’équilibre séculaire ou équilibre radioactif qui est une situation dans laquelle le nombre d’atomes se désintégrant est compensé par le nombre d’élément radioactifs (précédant l’atome dont il en est question dans sa chaîne de désintégration) devenant ledit atome.
Quant à leur utilité générale, elle est primordiale sur plusieurs points. Sur le plan énergétique, les perspectives offertes sont immenses. 1 gramme d’uranium, par exemple, produit autant qu’une tonne de charbon ! Et l’énergie dégagée dans les centrales nucléaires est minime comparé au potentiel total. En effet, on pourrait _que sais-je ?_ partir d’un élément initial et de le forcer à donner toute sa force radioactive pour arriver à l’élément stable. Sur le plan militaire, elle est une arme décisive, destructrice, mais surtout dissuasive, et cette arme à contribué à l’évitement de certains affrontements armés directs, comme lors de la Guerre Froide. Sur le point sanitaire, notre corps, qui en contient, en a besoin (en infime quantité bien sûr). Sur le plan aéronautique, la puissance nucléaire a propulsé certaines fusées. Et enfin, sur le plan économique, elle sert de contrepoids (faible) au pétrole et permet de limiter les effets d’un choc pétrolier (qui fut la raison de la construction des centrales en France).
VI/ Annexe : quelques relations mathématiques si l’élément initial est le seul au départ
Soit t le temps, un instant variable. Soit Xn(t) le nombre de noyaux atomiques de l’élément n à l’instant t, et An(t) son activité radioactive (en becquerels) au même instant. Soit Tn la période radioactive dudit élément, p(n) la probabilité pour cet élément de se désintégrer, et ex le nombre e (un nombre environ égal à 2,718) porté à la puissance x.
Avec ces variables, on a :
An(t)=p(n)*Xn(t)
Xn(t)=An(t)/p(n)
P (n)= ln(2)/Tn
Décroissance exponentielle de la radioactivité de n à l’instant t=An(t=0)*e-p(n)*t
An1(t) (n1=fils de n)= (an(t=0)*p (n1))/ (p (n1)-p(n))*(e-p(n)*t-e-p (n1)*t)
An2(t) (n2=petit-fils de n)= an(t=0)*p (n1)*p (n2)*e(-p (n)*t)/(p (n2)-p (n))*(p (n1)-p (n))+e(-p (n1)*t)/(p (n2)-p (n1))*(p (n)-p (n1))+e(-p (n2)*t)/(p (n)-p (n2))*(p (n1)-p (n2)
Si les périodes sont très grandes, alors on atteint l’équilibre radioactif ou séculaire.
Auteur: Pierre S. (3e4)
[1] Par opposition, l’interaction faible est le nom donné aux interactions et à l’énergie radioactives.
[2] L’antimatière est un système opposé au système d’élément constituant la matière à l’échelle quantique (quarks, bosons, leptons, neutrinos…). Chacun de ses éléments correspond à un de l’autre système. Ces couples possèdent le même spin, la même énergie… mais ont des charges électriques opposées.
[3] De façon ironique, cette découverte alertera un scientifique hongrois émigré aux États-Unis, Léo Szilàrd, qui le poussera à lancer une pétition pour créer des recherches sur la bombe atomique aux USA, et qui sera à l’origine du projet Manhattan.
[4]Quelques caractéristiques du plutonium 238 : formule 238Pu, demi-vie de 88 ans, masse critique de 10 kg, chaleur de fission de 560 W/kg et libération de 2 700 000 neutrons/kg/s.
Voyage autour de Jules Verne 