Des équilibres aussi vieux que la Terre.
Etablissement de l’équilibre radioactif
L’équilibre radioactif met environ deux 2 millions d’années à s’établir au sein de la filiation de l’uranium-238. Les activités des descendants sont alors devenues toutes égales à celle de l’uranium-238. Il suffit de quelques mois aux deux premiers descendants, le thorium-234 et le proactinium-234, pour atteindre cet équilibre car leur période est courte. Il faut beaucoup plus de temps pour les descendants suivants, l’uranium-234 et le thorium-230, dont les périodes sont de 246 000 ans et 75000 ans. Le radium et le radon qui viennent ensuite ont des périodes beaucoup plus courtes. Ils atteignent l’équilibre en même temps que le thorium. Deux millions d’années ne représentent qu’un bref instant pour l’uranium-238 dont la période est de 4.5 milliards d’années. L’activité du noyau ancêtre n’a pas eu le temps de diminuer.
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On appelle filiation radioactive la série de désintégrations en cascade que subissent certains noyaux. Dans la nature, les filiations radioactives concernent principalement trois éléments lourds dont le temps de vie est de l’ordre du milliard d’années : l’uranium-238, l’uranium-235 et le Thorium-232. Les descendants de ces trois noyaux, présents en très petites quantités dans les roches, contribuent à la radioactivité naturelle.
La Terre étant vieille de 4,5 milliards d’années, il s’est établi, au sein de ces trois filiations radioactives, un équilibre entre les quantités du noyau ancêtre et celles de ses descendants. Ces quantités évoluent si lentement que cet équilibre est dit séculaire. A chaque instant, il se forme autant de noyaux d’un élément de la descendance qu’il ne s’en désintègre. Toutes les activités sont pratiquement constantes et égales à celle du noyau « ancêtre ».
Masses à l’équilibre des descendants de l’Uranium-238
La loi d’équilibre radioactif impose que toutes les activités des descendants de l’uranium-238 soient égales à l’activité de l’uranium-238 ancêtre : 12,4 millions de becquerels ramenés à 1 tonne. Une des conséquences de la loi est que les masses présentes des descendants sont en proportion des périodes. Ces périodes étant très diverses et beaucoup plus petites que la période de l’uranium-238 (4.47 milliards d’années), les teneurs des descendants de l’uranium sont très petites : Pour 1 tonne d’uranium-238, au maximum 54 grammes pour l’uranium-234 suivi par 16 g de thorium-230 et 0.34 g de radium.
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L’établissement de cet équilibre séculaire n’a pas été immédiat. Il a nécessité une période transitoire qui est révolue. Un exemple caractéristique est celui de la filiation de l’uranium-238. Cet élément possède une durée de vie beaucoup plus longue que tous les noyaux instables qui sont issus de lui. Sa désintégration est si lente que tout se passe comme si la filiation était alimentée par un goutte à goutte constant.
Le descendant de l’uranium-238 qui possède la plus longue durée de vie est un autre isotope de l’uranium, l’uranium-234 dont la période radioactive est de 245 000 ans. Ce laps de temps très long ne représente qu’un vingt millième des 4,5 milliards d’années de l’uranium-238. Au bout de quelques périodes de l’uranium-234 – environ un million d’années – l’équilibre que nous observons aujourd’hui a été atteint.
Il arrive que l’équilibre séculaire soit localement rompu, quand un des noyaux intermédiaires quitte le milieu où sont confinés ses ascendants. Ces ruptures locales d’équilibre sont cruciales pour les techniques de datation
Un exemple de rupture locale d’équilibre est celui d’un descendant de l’uranium, le radon, qui étant gazeux s’échappe avec ses descendants d’un minerai contenant de l’uranium.
Dans le tunnel d’une mine d’uranium, la teneur en radon est élevée. Depuis les années 1950, des ventilateurs accélèrent sa migration vers l’atmosphère pour limiter l’exposition des mineurs. Si l’on considère la mine et l’atmosphère comme un tout, l’équilibre séculaire continue de prévaloir. Mais dans la mine, la descendance radioactive de l’uranium s’arrête au radium, le précurseur du radon : en dehors de la mine, dans l’air, elle se continue à partir de ce dernier. Dans chacun des deux milieux, considérés séparément, l’équilibre est rompu.
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