Les noyaux atomiques radioactifs

Les noyaux de certains éléments chimiques, dit radioactifs, sont instables et se transforment spontanément en d’autres noyaux. Ils constituent un chronomètre naturel utilisé pour des datations.

I Noyau atomique et radioactivité

La radioactivité est découverte en 1896 par Henri Becquerel, lorsque celui-ci constate que des sels d’uranium émettent des rayonnements pouvant impressionner des plaques photographiques. Il les nomme « rayons uraniques ».

Repère
À noter

Par convention, le noyau radioactif de départ est appelé noyau père, celui issu de la désintégration est le noyau fils.

Deux ans plus tard, Marie Curie montre que d’autres éléments, comme le radium, émettent un rayonnement. Elle nomme radioactivité cette émission spontanée de radiations par une substance inerte, sans apport d’énergie extérieure.

La plupart des éléments chimiques ont des noyaux stables, c’est-à-dire qu’ils restent identiques à eux-mêmes au cours du temps. Certains noyaux sont instables, car ils possèdent trop de protons, de neutrons ou trop des deux. Un noyau instable se transforme en un autre noyau, qui peut également être instable. Cette transformation naturelle et irréversible est appelée désintégration.

La radioactivité est un phénomène spontané, inéluctable et aléatoire : il est impossible de prévoir quand se désintégrera un noyau radioactif. Or, du fait de la désintégration régulière des noyaux, la quantité d’éléments radioactifs présents dans un échantillon diminue avec le temps.

Repère
À noter

La demi-vie est très variable selon les éléments : de quelques millisecondes à des milliards d’années.

Chaque élément radioactif est caractérisé par sa demi-vie ou période radioactive $t_{\frac{1}{2}}$, qui est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents se soit désintégrée.

Doc Désintégration des noyaux radioactifs au cours du temps

N0 désigne le nombre de noyaux de l’élément père initialement présents.

Au temps $t_{\frac{1}{2}}$, le nombre N de noyaux restants est de $\frac{1}{2}$N0.

Au temps 2 $t_{\frac{1}{2}}$ il est de $\frac{1}{4}$N0.

Au temps 3 $t_{\frac{1}{2}}$, il est de $\frac{1}{8}$N0 et donc au temps n $t_{\frac{1}{2}}$ il est de $\frac{1}{2^n}$N0.

II Radioactivité et datation au carbone 14

Les isotopes d’un élément chimique se différencient par leur nombre de neutrons. Par exemple, le carbone 12 ($\text{C}_6^{12}$, 6 protons et 6 neutrons) et le carbone 14 ($\text{C}_6^{14}$, 6 protons et 8 neutrons) sont deux isotopes du carbone. Le premier n’est pas radioactif, alors que le second l’est.

La quantité de carbone 14 (¹⁴C) présente dans l’atmosphère, bien que très faible, est constante : en effet, il y a autant de ¹⁴C synthétisé dans la haute atmosphère à partir d’azote 14 (¹⁴N) que de ¹⁴C qui se désintègre en ¹⁴N.

Le ¹⁴C créé dans la haute atmosphère est incorporé par les êtres vivants sous la forme de ¹⁴CO2 atmosphérique ou de ¹⁴CO2 dissousdans l’eau par l’intermédiaire de la photosynthèse ou de l’alimentation. Les êtres vivants rejettent aussi du ¹⁴CO2 par respiration. Les apports et les pertes de ¹⁴C s’équilibrent ainsi chez les êtres vivants : la quantité de ¹⁴C contenu dans leur matière organique est constante et identique à celle de l’atmosphère durant toute leur vie.

Repère
À noter

La demi-vie du ¹⁴C est de 5 730 ans. Cependant, cette méthode n’est pas utilisable avec une bonne précision au-delà de 35 000 ans.

À la mort de l’organisme, les échanges cessent. La quantité de ¹⁴C qu’il contient décroît avec le temps. Il suffit donc de doser la quantité de ¹⁴C restant dans un organisme pour estimer le temps écoulé depuis sa mort.