Chaîne de désintégration - Définition

La chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou encore désintégration en cascade, désigne la série de désintégrations, apparaissant par transformation spontanée d'un radioisotope instable, permettant d'arriver à un élément chimique dont le noyau atomique est stable (c.-à-d. non radioactif). Le plomb est généralement le point stable auquel les chaînes de désintégration s'arrêtent.

On définit ainsi une filiation radioactive comme la stabilisation du noyau instable appelé " mère " en une succession de désintégration. Chaque étape est caractérisée par un état intermédiaire correspondant à un radionucléide appelé " fille " de l'élément mère.

Pour certains éléments il peut se produire spontanément non pas une désintégration, mais une fission nucléaire, initialisant plusieurs chaînes de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 se transforme en deux produits de fission en émettant quelques neutrons.

Lors d'une simple désintégration, l'élément radioactif subit différents modes de désintégration : il peut émettre soit un rayonnement (alpha, bêta plus ou bêta moins, et se transforme en un autre élément appelé produit de désintégration. Le rayonnement alpha consiste en l'émission d'un noyau d'hélium, constitué de deux neutrons et deux protons ; le rayonnement bêta moins consiste en l'émission d'un électron (chargé négativement) ; le rayonnement bêta plus par celle d'un positron (ou anti-électron).

Rayonnement alpha

Par exemple, un noyau lourd d'uranium 238 émet un rayon alpha et devient du thorium 234 :

Les désintégrations alpha diminuent de quatre le nombre de nucléons (protons + neutrons) et donc la masse atomique. Pour cette raison les masses atomiques des noyaux issus d’une même filiation différent par un multiple de quatre.

Chaque rayon alpha est un noyau d'hélium constitué de deux protons et deux neutrons, c'est pourquoi lors d'une désintégration alpha, le numéro atomique diminue de deux, tandis que l'excédent de neutrons du noyau lourd s'accentue. Pour rétablir un rapport numéro atomique/masse atomique plus équilibré, des désintégrations bêta deviennent donc nécessaires.

Rayonnement bêta moins

Par exemple, un noyau de tritium devient un noyau d'hélium 3 :

Les désintégrations bêta ne changent pas le nombre de nucléons. L'émission bêta moins correspond à l'éjection d'un électron à partir du noyau, au sein duquel un neutron se transforme en proton.

Rayonnement bêta plus

Par exemple, un noyau de Fluor 18 devient un noyau d'oxygène 18 :

L'émission bêta plus est un mode de désintégration du noyau, au sein duquel un proton se transforme en neutron avec éjection d'un positon.

Pour le cas du carbone 14, il émet un rayon bêta moins et se transforme en azote 14.

Filiation de l'uranium 238

L'uranium 238 est l'isotope d'uranium qui représente plus de 99 % de l'uranium naturel. L'uranium 238 est fissible et radioactif, il se désintègre naturellement en plomb 206, stable et non radioactif. Parmi les descendants de l'uranium 238, le radon est un gaz radiotoxique qui peut provoquer le cancer du poumon en cas d'inhalation.

Source : Le tableau provient de "La Gazette Nucléaire", n°221/222, juin 2005 (lien)

La longue demi-vie de l'uranium 238 explique qu'on en trouve encore sur terre à l'état naturel et qu'il n'ait pas encore été complètement transformé en plomb.

Filiation du plutonium 239

Le plutonium 239 est un métal lourd artificiel, utilisé pour fabriquer des têtes nucléaires et du combustible MOX. Le plutonium 239 est aussi contenu dans certains déchets radioactifs, il est cependant difficile à détecter. ²³⁹Pu est fissile, radioactif et instable, il se désintègre naturellement en Plomb 207, stable. Des études sur un chien ont montré que l'inhalation de plusieurs dizaines de microgrammes de plutonium-239 dans les poumons augmenteraient considérablement les risques de cancer du poumon (lien). Une chaîne de désintégration simplifiée du plutonium 239 est illustrée ci-dessous.

Filiation du plutonium 241

Le plutonium 241 est un isotope fissile, mais rarement utilisé séparément en raison de la difficulté à le produire en grande quantité, du coût élevé de sa production, de sa demi-vie brève, et de sa radioactivité plus élevée que celle du plutonium 239. Le plutonium 241 possède un descendant radiotoxique, l'américium 241, qui, s'il s'accumule dans les tissus, en particulier les reins et les os, y créé un danger semblable à celui du plutonium.