Période radioactive
Grandeur hors système · exprimée en secondes SI · propriété du nucléide
En 1900 Ernest Rutherford remarqua que le rayonnement du thorium faiblissait avec le temps et, ce qui importe davantage, qu'il faiblissait non au hasard mais d'une façon parfaitement régulière : à chaque minute il perdait la même part de sa force précédente. Ainsi fut découverte une grandeur qui ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni de l'état chimique de la substance — le temps au bout duquel la moitié des noyaux se désintègre.
Sa particularité est qu'elle vaut pour une multitude et non pour un noyau isolé : un atome unique n'a ni âge ni terme, et savoir s'il se désintégrera à la seconde suivante ou restera là un million d'années est impossible même en principe. Mais les noyaux sont d'ordinaire nombreux — dans un gramme il y en a de l'ordre de dix puissance vingt et un — et sur une telle foule le hasard devient une loi exacte.
01 · Définition
La période radioactive est le temps au bout duquel le nombre de noyaux d'un nucléide donné diminue de moitié. Elle est liée sans ambiguïté à la constante de désintégration, qui donne la probabilité qu'un noyau se désintègre par unité de temps, et à la vie moyenne, plus longue que la période d'environ une moitié.
La loi exponentielle découle d'une seule hypothèse : la probabilité qu'un noyau se désintègre ne dépend pas du temps qu'il a déjà vécu. Un noyau ne vieillit pas, ne s'use pas et n'approche d'aucun terme — à chaque instant il est aussi prêt à se désintégrer qu'à l'instant de sa naissance, et c'est pourquoi la part des survivants décroît du même facteur sur des durées égales.
La stabilité singulière de cette grandeur tient à ce que la désintégration se produit dans le noyau, où la chimie n'atteint pas. La chaleur, la pression, un champ magnétique et la nature du composé n'agissent pas sur la période, et ce n'est que dans de rares cas, lorsque des électrons de la couche la plus proche du noyau participent à la désintégration, qu'on parvient à la déplacer de fractions de pour cent.
L'étendue des valeurs est immense comme pour aucune autre grandeur du catalogue : de dix puissance moins vingt-deux seconde chez des noyaux qui se défont avant que les nucléons n'aient fait le tour du noyau, à plus de deux quadrillions d'années pour le tellure 128, dont la période dépasse l'âge de l'Univers cent mille milliards de fois. Et tout cela obéit à une seule et même loi des moitiés.
Menez le temps avec le curseur — il se compte en périodes, les mêmes pour les quatre nucléides, tandis que les légendes les traduisent en heures, en années ou en millénaires réels. La courbe orange montre la part des noyaux survivants, les marches bleues signalent la moitié, le quart et le huitième, et la barre de droite est ce qui reste des cent atomes du départ.
La période radioactive est une propriété de la multitude et non de l'atome isolé : un noyau ne vieillit pas et a à tout instant la même probabilité de se désintégrer qu'à la première seconde de son existence. Aussi ne peut-on rien dire d'un atome unique de plus précis qu'une probabilité, alors que d'un milliard on peut presque tout dire, et la dispersion de la prévision décroît comme la racine de leur nombre.
02 · Conversion
Période, constante, activité
Entrez une période dans les unités que vous voulez, et la fiche la convertira dans les autres, donnera la constante de désintégration et la vie moyenne, puis montrera quelle activité fournit un gramme du nucléide pur et combien il en restera au bout d'un délai donné.
Le nombre de masse servant au calcul de l'activité massique est pris du nucléide choisi dans la partie interactive ; dans les réglages fins on peut passer à une valeur conventionnelle de cent.
Une période courte signifie une activité élevée et non l'innocuité : plus un nucléide se désintègre vite, plus il y a de désintégrations à la seconde, et un gramme de technétium 99m brille des dizaines de millions de fois plus qu'un gramme d'uranium. Le danger n'est donc pas fixé par la seule période, mais avec elle par la nature du rayonnement, par ce dans quoi le nucléide se fixe et par la voie qu'il emprunte pour entrer dans le corps.
| Valeur | Remarque | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Ordres de grandeur
échelle logarithmique : cinquante-quatre ordres de grandeur04 · Instruments de mesure
Avec quoi mesurer ce qu'on ne peut attendre
La manière la plus simple de mesurer une période est de compter les clics et de regarder leur fréquence tomber avec le temps. Elle convient aux nucléides qui vivent de quelques minutes à quelques années : sur un délai plus court le comptage n'a pas le temps de s'accumuler, sur un plus long la décroissance se perd dans la dispersion inévitable des relevés.
Un détecteur à semi-conducteur en germanium distingue les énergies des quanta au millième de pour cent près, et permet donc de suivre un nucléide dans un mélange d'une dizaine d'autres. La largeur de la raie spectrale elle-même, quant à elle, trahit la période des états qui vivent moins d'une nanoseconde : plus la vie est brève, plus le niveau est large.
Pour les nucléides à longue vie, attendre les désintégrations n'a pas de sens, et l'on compte donc les atomes un à un, en les séparant par la masse dans un champ magnétique. La datation au radiocarbone repose précisément là-dessus : dans l'échantillon on cherche non le rayonnement mais les noyaux mêmes du carbone 14, dont il y en a un pour mille milliards d'ordinaires.
Les périodes de trillions d'années se mesurent en prenant des tonnes de matière et en attendant un an : quelques désintégrations se produiront tout de même. Pour les distinguer, on cache le dispositif sous un kilomètre de roche, on l'entoure de vieux plomb remonté de navires coulés, et l'on compte des événements dont il y a une paire par mois.
05 · Règles d’écriture
Le nucléide d'abord, l'unité ensuite
On écrit la désignation avec une majuscule latine et l'indice « un demi » en bas, et l'on place le nombre de masse en haut à gauche du symbole de l'élément ou après son nom avec un trait d'union. L'unité est toujours indiquée et choisie commode selon la grandeur ; mêler la période à la vie moyenne est interdit — elles diffèrent d'un facteur 1,443.
La première écriture ne convient pas, et deux fois : l'uranium a plusieurs isotopes de périodes différentes, et l'unité est omise. La deuxième égale la période à la vie moyenne, alors que celle-ci est 1,443 fois plus longue. La troisième suppose un épuisement que l'exponentielle n'admet pas : après deux périodes il reste un quart. La quatrième attribue un terme à un atome unique, qui n'en a pas.
06 · Unités voisines
La période se tient dans une même rangée que les grandeurs décrivant la même désintégration par d'autres côtés : l'activité mesurée en becquerels, la constante de désintégration de dimension inverse d'un temps et la vie moyenne. Il suffit d'en connaître une — les autres s'obtiennent par un facteur.
désintégrations par seconde
secondes réciproques
plus longue d'un facteur 1,443
Parmi les fiches de Simetrium se trouvent à côté becquerel et curie, par lesquels se mesure l'activité elle-même, gray et sievert pour la dose absorbée et la dose équivalente, barn issus des sections efficaces nucléaires et seconde, dans laquelle la période s'exprime en fin de compte.
07 · Section historique
Une horloge qu'on ne peut ni remonter ni arrêter
Rutherford découvrit que le rayonnement du gaz dégagé par le thorium tombe du même facteur sur des intervalles égaux, et introduisit une grandeur qu'il nomma d'abord temps de demi-transformation. Ce fut le premier processus dans la nature dont la vitesse ne pouvait être changée par absolument rien.
Kelvin, par le refroidissement du globe terrestre, tirait un âge de vingt à quarante millions d'années, et aux géologues ce délai manquait désespérément. Le plomb accumulé dans les minerais d'uranium donna d'emblée des milliards — et expliqua du même coup pourquoi le calcul de Kelvin était condamné : il ignorait que les profondeurs se réchauffent par leur propre désintégration.
Willard Libby comprit qu'un être vivant échange sans cesse du carbone avec son milieu et qu'après la mort l'échange cesse et l'horloge se met en marche. La méthode passa sa première épreuve sur un bois provenant d'une tombe égyptienne dont l'âge était connu par les inscriptions, et elle s'en écarta d'un siècle et demi seulement.
Les dépôts de combustible usé se conçoivent d'après les périodes des nucléides qu'ils contiennent, et les délais viennent tels que la tâche sort de l'ingénierie : comment laisser un avertissement à des gens dont la langue n'existe pas encore. Le dépôt finlandais d'Onkalo est calculé pour cent mille ans — dix fois plus long que toute l'histoire écrite.
La seule horloge qu'on ne peut régler
Tout instrument de mesure du temps peut être mis hors d'état : un pendule se dérègle sous un choc, le quartz dérive à la chaleur, même les horloges atomiques doivent être corrigées de la gravitation. La désintégration radioactive se tient à part dans cette rangée, car elle se produit dans le noyau, où n'atteignent ni la température, ni la pression, ni une liaison chimique.
Cette indépendance a aussi un revers, et déplaisant. Puisque le processus ne peut être hâté, rendre les déchets inoffensifs est impossible en principe : on ne peut que les attendre, et les attentes dépassent la durée de tout État et de toute langue. Une unité qui, au laboratoire, paraît une commodité devient, à l'échelle d'un dépôt, une contrainte avec laquelle on ne discute pas.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux dérivées portant un nom propre, et des grandeurs hors système sans lesquelles ni la technique ni le calendrier ne fonctionneraient.