Désintégration radioactive
Les noyaux de la plupart des atomes de tous les jours sont stables— c’est-à-dire qu’ils ne changent pas avec le temps. Cette affirmation est cependant quelque peu trompeuse, car les noyaux qui ne sont pas stables ne durent généralement pas longtemps et ont donc tendance à ne pas faire partie de l’expérience quotidienne. En fait, la plupart des isotopes connus des noyaux ne sont pas stables; au lieu de cela, ils passent par un processus appelé désintégration radioactive, qui modifie souvent l’identité de l’atome d’origine.
Dans la désintégration radioactive, un noyau restera inchangé pendant une période imprévisible, puis émettra une particule ou un photon à grande vitesse, après quoi un noyau différent aura remplacé l’original. Chaque isotope instable se désintègre à un rythme différent; c’est-à-dire que chacun a une probabilité de désintégration différente dans une période de temps donnée (voir constante de désintégration). Une collection de noyaux instables identiques ne se désintègre pas tous en même temps. Au lieu de cela, comme le pop-corn qui saute dans une casserole, ils se décomposeront individuellement sur une période de temps. Le temps qu’il faut à la moitié de l’échantillon original pour se désintégrer s’appelle la demi-vie de l’isotope. Les demi-vies des isotopes connus vont de la microseconde à des milliards d’années. L’uranium 238 (238U) a une demi-vie d’environ 4,5 milliards d’années, ce qui correspond approximativement au temps qui s’est écoulé depuis la formation du système solaire. Ainsi, la Terre a environ la moitié du 238U qu’elle avait lors de sa formation.
Il existe trois types différents de désintégration radioactive. À la fin du 19ème siècle, lorsque le rayonnement était encore mystérieux, ces formes de désintégration étaient notées alpha, bêta et gamma. Dans la désintégration alpha, un noyau éjecte deux protons et deux neutrons, tous enfermés ensemble dans ce qu’on appelle une particule alpha (découverte plus tard comme étant identique au noyau d’un atome d’hélium normal). Le noyau fille, ou désintégré, aura deux protons de moins et deux neutrons de moins que l’original et sera donc le noyau d’un élément chimique différent. Une fois que les électrons se sont réarrangés (et que les deux électrons excédentaires se sont égarés), l’atome aura, en fait, changé d’identité.
En désintégration bêta, l’un des neutrons du noyau se transforme en un proton, un électron en mouvement rapide et une particule appelée neutrino. Cette émission d’électrons rapides est appelée rayonnement bêta. Le noyau fille a un neutron de moins et un proton de plus que l’original et est donc, encore une fois, un élément chimique différent.
Dans la désintégration gamma, un proton ou un neutron fait un saut quantique d’une orbite supérieure à une orbite inférieure, émettant un photon de haute énergie dans le processus. Dans ce cas, l’identité chimique du noyau fille est la même que celle de l’original.
Lorsqu’un noyau radioactif se désintègre, il arrive souvent que le noyau fille soit également radioactif. Cette fille va se désintégrer à son tour, et le noyau fille de cette désintégration peut également être radioactif. Ainsi, une collection d’atomes identiques peut, au fil du temps, être transformée en un mélange de plusieurs types d’atomes à cause de désintégrations successives. De telles désintégrations se poursuivront jusqu’à la production de noyaux filles stables. Ce processus, appelé chaîne de désintégration, opère partout dans la nature. Par exemple, l’uranium 238 se désintègre avec une demi-vie de 4.5 milliards d’années en thorium-234, qui se désintègre en 24 jours en protactinium-234, qui se désintègre également. Ce processus se poursuit jusqu’à ce qu’il atteigne le plomb-206, qui est stable (voir datation uranium-thorium-plomb). Des éléments dangereux tels que le radium et le radon sont continuellement produits dans la croûte terrestre en tant qu’étapes intermédiaires dans les chaînes de désintégration.