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Filiations radioactives



Radioactifs de père en fils ...

De l'uranium 238 au plomb 206
Le diagramme montre le cheminement sur la carte des noyaux de la cascade de désintégrations partant de l'uranium-238 et se terminant au Plomb-206 stable, avec ses 82 protons et 124 neutrons. Les désintégrations alpha diminuent de 2 unités les nombres de protons et de neutrons, alors que les désintégrations bêta-moins diminuent de 1 les neutrons et augmentent de 1 les protons. Les cheminements alpha sont corrigés à intervalles réguliers par des désintégrations bêta qui permettent d'atteindre le meilleur équilibre entre protons et neutrons.
IN2P3

Un certain nombre de noyaux radioactifs naturels sont présents sur Terre bien que leur temps de vie soient courts par rapport à l'âge de celle-ci. Ils sont issus de la descendance de trois noyaux lourds à très longue vie : l'uranium-235 qui vit 0,70 milliards d'années ; l'uranium-238 qui vit 4,47 milliards d'années ; le thorium-232 qui vit 14,0 milliards d'années.

Ces trois patriarches étaient présents dans le nuage proto-solaire qui s'est condensé pour former le Soleil, la Terre et le planètes. Ils sont les géniteurs de trois familles radioactives naturelles. La descendance de l'uranium-238 constitue une de ces trois familles.

Un noyau d'uranium-238 se désintègre par émission alpha en un noyau fils - le Thorium-234. Puis, ce thorium se transforme rapidement en Proactinium-234, puis en uranium-234, par émission bêta-moins. Ce dernier se transforme lentement - sa période est de 245 000 ans - en Thorium-230, à son tour instable.

Cette cascade d’événements ne s’arrête que lorsqu’un noyau stable est produit. Ceci survient à la quatorzième génération avec un isotope du plomb : le Plomb-206. Les deux autres familles, celles de l'uranium-235 et du Thorium-232 se terminent par deux autres isotopes stables du plomb : le Plomb-207 et le Plomb-208.

Les 14 générations de la descendance de l'uranium
Filiation radioactive simplifiée de l’uranium-238. Les désintégrations qui se succèdent avec des périodes extraordinairement différentes changent la composition du noyau donc la nature de l’atome. Le nombre de nucléons diminue de 4 quand le noyau émet une particule alpha et reste inchangé quand il émet un électron bêta. Les descendants les plus connus sont le radium et le radon.
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Les temps de vie sont extrêmement variables. Il est difficile de se représenter une telle gamme de périodes allant de la seconde au milliard d’années. La filiation d'un noyau ressemble à un cours d’eau traversant montagnes et plaines, alternativement torrent et rivière paresseuse.

Dans ces désintégrations qui s’enchaînent, les désintégrations alpha dominent comme il est naturel pour des noyaux très lourds. Mais chaque émission soustrayant deux protons et deux neutrons, l'excédent de neutrons s'accentue en proportion. Des désintégration bêta deviennent nécessaires. Dans la filiation de l'Uranium-238 par exemple, la première désintégration alpha est suivie par deux désintégrations bêta qui trnaforment le noyau, devenu du thorium 234, en uranium 234.

Les désintégrations alpha diminuent de 4 le nombre de nucléons et les désintégrations bêta ne le changent pas. Pour cette raison les nombres de nucléons des noyaux issus d’une même filiation différent par un multiple de quatre, comme on peut le voir pour la descendance de l'uranium-238.

Les membres de la famille de l'uranium-238 comptent 4n+2 nucléons, alors que ceux des familles de l'uranium-235 et du Thorium-232 en comptent 4n+3 et 4n. Il existe en principe une quatrième famille du type 4n+1 (un multiple de 4 plus 1), mais son ancêtre, le Neptunium-237, a une vie relativement « courte » de 2,14 millions d'années. Cette famille a eu amplement le temps de disparaître après la nucléosynthèse du Neptunium-237 au sein des étoiles précurseurs de notre Soleil.

Parcours des descendants de l'uranium-238
Parcours des descendants d'un noyau d'uranium-236 sur la carte des noyaux et de la vallée de stabilité. Le long de ce parcours les émissions alpha allègent le noyau, les émissions bêta corrigent les excès de neutrons. Il faudra des milliards d'années pour aboutir au terminus, un noyau stable de plomb-206.
CEA-IRFU

LE CEA-Irfu a réalisé une vidéo expliquant entre autres la carte des noyaux et la vallée de stabilité. Cette vidéo inclut à la minute 6:07 une séquence montrant le parcours des descendants de l'uranium-238 sur cette carte :
Vidéo du CEA IRFU : La vallée de stabilité