radioactivité

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Période radioactive

Certaines substances montrent une diminution sensible de la quantité spécifique de désintégrations avec le temps. Parmi elles, le thorium-234 (initialement appelé uranium X) qui, après être séparé de l'uranium, perd la moitié de son intensité radioactive initiale en vingt-cinq jours. Chaque substance radioactive a une période de désintégration caractéristique, la période radioactive ou temps de demi-vie ; la période radioactive de certains isotopes, comme l'U-238 ou le Th-232, est tellement longue (plusieurs milliards d'années) que leur taux de désintégration n'est pas détectable avec les méthodes actuelles.

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Chaîne de désintégration radioactive

Lorsque l'uranium-238 se désintègre par l'émission de rayons alpha, il se transforme en thorium-234 ; le thorium-234 est un émetteur de particules bêta ; il se désintègre pour former le protactinium-234. Ce dernier émet à son tour des particules bêta pour former un nouvel isotope d'uranium, l'uranium-234. Celui-ci se désintègre avec émission de particules alpha pour former le thorium-230, qui se désintègre à son tour en émettant des particules alpha pour aboutir au radium-226. Cette chaîne de désintégration, appelée série uranium-radium, continue de la même façon via cinq autres émissions alpha et quatre émissions bêta avant qu'il se forme un produit final stable (non radioactif), l'isotope de plomb (élément 82) de masse 206. Tout élément situé entre l'uranium et le plomb dans la classification périodique est représenté dans cette chaîne et chaque isotope se distingue par une période radioactive caractéristique. Il existe d'autres séries radioactives naturelles : la série du thorium, qui commence avec le thorium-232 et dont le produit final est l'isotope stable de plomb-208, la série de l'actinium, qui commence par l'uranium-235 (nommé actinouranium par les premiers chercheurs) et se termine par le plomb-207. Une quatrième série, dont tous les membres sont artificiellement radioactifs, a été découverte ces dernières années. Son membre initial est le curium-241, isotope de l'élément artificiel curium. La série contient l'isotope de l'élément neptunium ayant la plus longue période radioactive et a pour élément final le thallium-205 (et non le bismuth-209, qui est radioactif — période radioactive de 19 milliards de milliards d’années).

Une application intéressante des connaissances sur les éléments radioactifs est la datation d'échantillons géologiques, préhistoriques ou archéologiques, qui s'opère en déterminant les concentrations relatives entre les membres initiaux et finaux d'une série de désintégration connue (voir datation, méthodes de). Ces méthodes évaluent l'âge de la terre à environ 4,6 milliards d'années. Des valeurs similaires ont été obtenues pour les météorites tombées sur la surface de la Terre, ainsi que pour les échantillons ramenés de la Lune par la mission Apollo 11 en juillet 1969, indiquant ainsi que tous les composants du Système solaire se sont formés en même temps.

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Radioactivité artificielle

Tous les isotopes existant à l'état naturel et situés au-delà du plomb dans la classification périodique sont radioactifs. Il faut compter, en plus, les isotopes naturels radioactifs des éléments suivants : thallium, vanadium, indium, néodyme, gadolinium, hafnium, platine, plomb, rhénium, lutécium, rubidium, potassium, hydrogène, carbone, lanthane et samarium. En 1919, Rutherford réalisa la première réaction nucléaire artificielle en bombardant le gaz d'azote ordinaire (azote-14) avec des particules alpha : il remarqua que les noyaux d'azote capturent des particules alpha, émettent des protons très rapidement et forment un isotope stable d'oxygène, l'oxygène-17. Cette réaction peut s'écrire symboliquement comme suit :

¨N + ¸He → ©O + §H

où les numéros atomiques des noyaux participants sont écrits conventionnellement en bas et à gauche des symboles chimiques et leurs nombres de masse en exposant, à gauche des symboles chimiques. Dans la réaction ci-dessus, la particule alpha est représentée par le noyau d'hélium, le proton par le noyau d'hydrogène.

Jusqu'en 1933, on n'avait pas encore démontré que de telles réactions nucléaires peuvent conduire à la formation de nouveaux noyaux radioactifs. En 1933, les chimistes français Irène et Frédéric Joliot-Curie préparèrent la première substance artificielle en bombardant de l'aluminium avec des particules alpha. Les noyaux d'aluminium capturent des particules alpha et émettent ensuite des neutrons, ce qui mène logiquement à la formation d'un isotope de phosphore, qui se désintègre en émettant un positron et qui possède une période radioactive très courte. Les Joliot-Curie produisirent également un isotope d'azote à partir du bore et un isotope d'aluminium à partir du magnésium. Depuis, un grand nombre de réactions nucléaires ont été découvertes et des noyaux d'éléments du tableau périodique ont été bombardés avec des particules différentes, telles que les particules alpha, les protons, les neutrons et les deutérons (noyau de deutérium, l'isotope d'hydrogène de masse 2). Résultat de cette recherche intensive : plus de 400 substances radioactives artificielles sont connues de nos jours. Cette recherche a pu être menée grâce au développement des accélérateurs de particules, qui accélèrent celles-ci à des vitesses considérables, augmentant ainsi la probabilité de leur capture par les noyaux cibles.

L'étude approfondie des réactions nucléaires et la recherche sur les nouvelles substances radioactives artificielles, en particulier parmi les éléments lourds, sont à l'origine de la découverte de la fission nucléaire et du développement subséquent de la bombe atomique (voir nucléaire, énergie ; nucléaires, armes). Les recherches ont également conduit à la découverte de plusieurs nouveaux éléments qui n'existent pas dans la nature. Le développement des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules a rendu possible la production d'un large éventail d'isotopes radioactifs de presque tous les éléments du tableau périodique ; l'existence de ces isotopes est une aide inestimable dans la recherche chimique, biologique et médicale (voir traceurs isotopiques). Le carbone-14, qui a une période radioactive de 5 730 ± 40 années, est d'une grande importance parmi les isotopes radioactifs produits artificiellement. La disponibilité de cette substance a rendu possible la recherche fondamentale sur de nombreux aspects des mécanismes de la vie, photosynthèse par exemple. Le carbone-14 est également très important pour estimer l'âge d'échantillons archéologiques ou préhistoriques ayant contenu des organismes vivants. Voir datation, méthodes de.

Dans l'analyse par activation des neutrons, une substance est rendue radioactive dans un réacteur nucléaire. Une quantité d'impuretés trop faible pour pouvoir être détectée par d'autres méthodes peut ainsi être mise en évidence, grâce à sa signature radioactive, après avoir été activée par les neutrons.

Il existe d'autres applications des isotopes radioactifs dans la thérapie médicale (voir radiologie), dans la radiographie industrielle et dans des appareils spéciaux tels que les sources de lumière phosphorescente, les éliminateurs statiques, les indicateurs d'épaisseur et les batteries nucléaires.