Introduction
Un isotope stable d'un élément chimique est un isotope qui n'a pas de radioactivité décelable. Au 30 juin 2009, 256 nucléides correspondant à 80 éléments étaient considérés comme stables, bien que le calcul pour un nombre significatif d'entre eux suggère qu'ils devraient connaître certains modes de désintégration. Les éléments 43 et 61 — respectivement le technétium et le prométhium — n'ont aucun isotope stable ; le technétium 99 est présent naturellement à l'état de traces. Cette liste est sans doute amenée à se réduire au fur et à mesure que le seuil de sensibilité des expériences destinées à établir la radioactivité de ces nucléides diminue.
Stabilité des noyaux atomiques
La physique des noyaux atomiques est gouvernée par les trois interactions fondamentales du modèle standard de la physique des particules : l'interaction forte, l'interaction faible et l'interaction électromagnétique. Chaque noyau atomique est défini par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient, ainsi que par son énergie totale, l'ensemble définissant les différents arrangements des particules selon lesquels l'énergie totale du système peut être distribuée. Plus il y a d'arrangements possibles et plus le système est stable : l'état présentant le plus grand nombre d'arrangements possibles est appelé état fondamental ; c'est celui vers lequel tendent tous les autres états de ce système.
Toute transition d'un état du système vers un autre requiert une énergie d'activation, fournie, dans le cas des noyaux atomiques, par les fluctuations du vide quantique. Lorsque de telles fluctuations suffisent à faire basculer un noyau atomique d'un état donné vers un état d'énergie inférieure, ce noyau est dit instable : il peut, selon les cas, émettre des photons énergétiques (radioactivité γ), des électrons ou des positons avec des neutrinos électroniques (radioactivité β), des noyaux d'hélium 4 (radioactivité α), ou encore se briser par fission spontanée :
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- La radioactivité γ intervient lors de la transition d'un état excité du noyau vers un état excité d'énergie inférieure ou vers son état fondamental ; cela s'observe notamment avec les isomères nucléaires, ou à la suite d'une désintégration β ou α ou d'une fission spontanée, les produits de fission étant généralement excités.
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- La radioactivité β, gouvernée par l'interaction faible, concerne les noyaux possédant un excédant de protons (désintégration β+) ou de neutrons (désintégration β-).
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- La radioactivité α, gouvernée par l'interaction forte ainsi que par l'électromagnétisme, concerne essentiellement les gros noyaux (dès environ 60 protons et 85 neutrons), qui tendent à éliminer des noyaux d'hélium 4 pour s'alléger et gagner en stabilité.
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- La fission spontanée est une « explosion » des très gros noyaux en deux ou trois morceaux, accompagnés de neutrons.
Lorsqu'en revanche les fluctuations du vide ne déclenchent pas de changement d'état du noyau atomique, ce dernier est dit stable et ne présente donc aucune radioactivité.
Isotopes quasi-stables
Les isotopes des éléments du milieu naturel ne se limitent pas à leurs seuls isotopes stables : certains isotopes instables mais à très longue période radioactive — parfois supérieure de plusieurs ordres de grandeur à l'âge de l'univers — ont une abondance naturelle significative :
- Ils peuvent représenter la forme dominante de certains éléments, comme c'est typiquement le cas de l'indium et du rhénium avec respectivement le 115In (avec une période de 441 mille milliards d'années par radioactivité β et qui constitue 95,7 % de l'indium terrestre) et le 187Re (avec une période de 43,5 milliards d'années par radioactivité β et qui constitue 62,4 % du rhénium terrestre).
- Les deux isotopes les plus abondants du tellure sont également radioactifs, mais avec des périodes tellement longues que leur radioactivité devient à peine mesurable : le 130Te et le 128Te, avec respectivement 7,9×1020 et 2,2×1024 années (cent soixante mille milliards de fois l'âge de l'univers) par double désintégration bêta.
- Le potassium 40 représente 0,0117 % du potassium terrestre et est utilisé pour la datation de certaines roches riches en potassium ; il constitue la principale source de radioactivité des organismes vivants.
- Le calcium 48 représente 0,187 % du calcium terrestre, avec une radioactivité infime par double désintégration bêta, selon une période radioactive de 4,3+3.8−2.5×1019 années, malgré son fort excès en neutrons ; il est « doublement magique », et très utilisé en physique nucléaire pour la synthèse d'éléments superlourds.
- Certains éléments dépourvus d'isotope stable ont néanmoins une abondance naturelle non négligeable, notamment le bismuth, le thorium et l'uranium, chacun ayant un isotope dont la période excède le milliard d'années (celle du bismuth 209 est de 1,9×1019 années).
- Une vingtaine d'autres isotopes quasi-stables sont présents dans le milieu naturel :