Nucléide primordial

En géochimie et en physique nucléaire, un nucléide primordial, ou isotope primordial, est un nucléide présent sur Terre depuis sa formation. On en connaît 288 (le caractère primordial est discuté pour deux d'entre eux, ¹⁴⁶Sm et ²⁴⁴Pu). Parmi eux, 252 sont des nucléides stables, les 36 autres sont radioactifs avec une demi-vie suffisamment longue pour avoir survécu depuis la formation de la Terre.

Origine

Selon la théorie de l'évolution des étoiles, tous les éléments sauf l'hydrogène^[a] se sont formés par nucléosynthèse, soit dans les instants suivant le Big Bang (nucléosynthèse primordiale), soit au sein des étoiles (nucléosynthèse stellaire). Les isotopes stables sont demeurés en l'état et on les retrouve tous sur Terre. Les isotopes dont la radioactivité a été décelée, ou radioisotopes, se désintègrent, mais il en reste encore sur Terre en quantités appréciables si leur demi-vie est suffisamment grande (de l'ordre de 100 millions d'années).

On trouve aussi sur Terre des radioisotopes de demi-vies plus courtes, mais ces nucléides ne sont pas primordiaux, ils sont soit présents dans les chaînes de désintégration des radioisotopes primordiaux (comme le radon 222, descendant de l'uranium 238 primordial), soit produits sur Terre par spallation cosmique (comme le carbone 14, produit par spallation de l'azote 14 atmosphérique) ou plus rarement par des transmutations nucléaire dans certains minerais. Il y a ainsi plus d'une cinquantaine de nucléides radioactifs non-primordiaux (dont 24 isotopes cosmogéniques) sur le total d'environ 340 nucléides que l'on trouve naturellement sur Terre. Il est difficile d'être précis : certains de ces nucléides sont supposés présents, mais jamais retrouvé de manière quantifiable dans l'environnement (trop peu abondants, en général en raison d'une demi-vie très courte).

Les radioisotopes qui étaient présents lors de la formation de la Terre, mais qui se sont désintégrés depuis et ne se trouvent donc plus dans le milieu naturel, forment le groupe des radioactivités éteintes. La limite entre radioactivité éteinte et isotope primordial est délicate à déterminer, le plutonium 244 se trouvant par exemple sur cette limite : il a une demi-vie d'environ 80 millions d'années, il s'est écoulé environ 56 demi-vies de cet isotope depuis la formation de la Terre il y a 4,6 milliards d'années. La quantité initiale de ce nucléide a donc diminué d'un facteur 2⁵⁶ (≈ 10¹⁷) depuis la formation de la Terre. On classe généralement le plutonium 244 parmi les isotopes primordiaux depuis sa détection dans le milieu naturel dans les années 1970^[1], mais des études plus récentes^[2] (2012) ont remis en question sa présence dans le milieu naturel en tant qu'isotope primordial, ce serait donc plutôt une radioactivité éteinte. S'il est présent sur Terre en tant qu'isotope primordial, il est probablement le plus rare de ceux-ci, avec une concentration inférieure à quelques centaines d'atomes par gramme de minerai. À sa rareté s'ajoute le fait de distinguer plutonium primordial, plutonium d'origine météoritique, et surtout plutonium d'origine humaine, car il fait partie du cycle du nucléaire et il a pu contaminer l'environnement (soit à la suite des catastrophes de Tchernobyl et de Fukushima, soit à la suite de tous les essais nucléaires ayant eu lieu à l'air libre).

Parmi les isotopes "à la limite", le samarium 146 n'a pas encore été détecté dans la nature, mais il a une demi-vie plus grande que celle du plutonium 244 (103 millions d'années) ; si on peut quantifier le ²⁴⁴Pu primordial, il est probable que les progrès de la chimie analytique permettent de trouver du ¹⁴⁶Sm. Pour cette raison, il est déjà classé parmi les nucléides primordiaux.

Liste des nucléides primordiaux

Liste complète

La liste regroupe les 288 isotopes primordiaux, dont 36 sont instables (en gras et italique). La demi-vie de 25 d'entre eux est supérieure à 10 fois l'âge de l'univers, ces 25 nucléides (entre parenthèses) ont donc une radioactivité négligeable en pratique. Ces indications ne sont pas nécessairement des signes de leur rareté : ainsi, dans le cas de l'indium et du rhénium, c'est le radioisotope qui est le plus abondant (par rapport à l'isotope stable du même élément).

Élément	Z	Isotopes primordiaux (dont radioactifs)
Hydrogène	1	¹H, ²H
Hélium	2	³He, ⁴He
Lithium	3	⁶Li, ⁷Li
Béryllium	4	⁹Be
Bore	5	¹⁰B, ¹¹B
Carbone	6	¹²C, ¹³C
Azote	7	¹⁴N, ¹⁵N
Oxygène	8	¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O
Fluor	9	¹⁹F
Néon	10	²⁰Ne, ²¹Ne, ²²Ne
Sodium	11	²³Na
Magnésium	12	²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg
Aluminium	13	²⁷Al
Silicium	14	²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si
Phosphore	15	³¹P
Soufre	16	³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S
Chlore	17	³⁵Cl, ³⁷Cl
Argon	18	³⁶Ar, ³⁸Ar, ⁴⁰Ar
Potassium	19	³⁹K, ⁴⁰K, ⁴¹K
Calcium	20	⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, (⁴⁸Ca)
Scandium	21	⁴⁵Sc
Titane	22	⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti, ⁵⁰Ti
Vanadium	23	(⁵⁰V), ⁵¹V
Chrome	24	⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr, ⁵⁴Cr
Manganèse	25	⁵⁵Mn
Fer	26	⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe
Cobalt	27	⁵⁹Co
Nickel	28	⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni
Cuivre	29	⁶³Cu, ⁶⁵Cu
Zinc	30	⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn, ⁷⁰Zn
Gallium	31	⁶⁹Ga, ⁷¹Ga
Germanium	32	⁷⁰Ge, ⁷²Ge, ⁷³Ge, ⁷⁴Ge, (⁷⁶Ge)
Arsenic	33	⁷⁵As
Sélénium	34	⁷⁴Se, ⁷⁶Se, ⁷⁷Se, ⁷⁸Se, ⁸⁰Se, (⁸²Se)
Brome	35	⁷⁹Br, ⁸¹Br
Krypton	36	(⁷⁸Kr), ⁸⁰Kr, ⁸²Kr, ⁸³Kr, ⁸⁴Kr, ⁸⁶Kr
Rubidium	37	⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb
Strontium	38	⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr, ⁸⁸Sr
Yttrium	39	⁸⁹Y
Zirconium	40	⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr, (⁹⁶Zr)
Niobium	41	⁹³Nb
Molybdène	42	⁹²Mo, ⁹⁴Mo, ⁹⁵Mo, ⁹⁶Mo, ⁹⁷Mo, ⁹⁸Mo, (¹⁰⁰Mo)
Ruthénium	44	⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ⁹⁹Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰¹Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴Ru
Rhodium	45	¹⁰³Rh
Palladium	46	¹⁰²Pd, ¹⁰⁴Pd, ¹⁰⁵Pd, ¹⁰⁶Pd, ¹⁰⁸Pd, ¹¹⁰Pd
Argent	47	¹⁰⁷Ag, ¹⁰⁹Ag
Cadmium	48	¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁰Cd, ¹¹¹Cd, ¹¹²Cd, (¹¹³Cd), ¹¹⁴Cd, (¹¹⁶Cd)
Indium	49	¹¹³In, (¹¹⁵In)
Étain	50	¹¹²Sn, ¹¹⁴Sn, ¹¹⁵Sn, ¹¹⁶Sn, ¹¹⁷Sn, ¹¹⁸Sn, ¹¹⁹Sn, ¹²⁰Sn, ¹²²Sn, ¹²⁴Sn
Antimoine	51	¹²¹Sb, ¹²³Sb
Tellure	52	¹²⁰Te, ¹²²Te, ¹²³Te, ¹²⁴Te, ¹²⁵Te, ¹²⁶Te, (¹²⁸Te, ¹³⁰Te)
Iode	53	¹²⁷I
Xénon	54	(¹²⁴Xe), ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe, ¹³⁴Xe, (¹³⁶Xe)
Césium	55	¹³³Cs
Baryum	56	(¹³⁰Ba), ¹³²Ba, ¹³⁴Ba, ¹³⁵Ba, ¹³⁶Ba, ¹³⁷Ba, ¹³⁸Ba
Lanthane	57	¹³⁸La, ¹³⁹La
Cérium	58	¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁰Ce, ¹⁴²Ce
Praséodyme	59	¹⁴¹Pr
Néodyme	60	¹⁴²Nd, ¹⁴³Nd, (¹⁴⁴Nd), ¹⁴⁵Nd, ¹⁴⁶Nd, ¹⁴⁸Nd, (¹⁵⁰Nd)
Samarium	62	¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁶Sm (?), ¹⁴⁷Sm, (¹⁴⁸Sm), ¹⁴⁹Sm, ¹⁵⁰Sm, ¹⁵²Sm, ¹⁵⁴Sm
Europium	63	(¹⁵¹Eu), ¹⁵³Eu
Gadolinium	64	(¹⁵²Gd), ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd
Terbium	65	¹⁵⁹Tb
Dysprosium	66	¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶¹Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶³Dy, ¹⁶⁴Dy
Holmium	67	¹⁶⁵Ho
Erbium	68	¹⁶²Er, ¹⁶⁴Er, ¹⁶⁶Er, ¹⁶⁷Er, ¹⁶⁸Er, ¹⁷⁰Er
Thulium	69	¹⁶⁹Tm
Ytterbium	70	¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb, ¹⁷⁶Yb
Lutécium	71	¹⁷⁵Lu, ¹⁷⁶Lu
Hafnium	72	(¹⁷⁴Hf), ¹⁷⁶Hf, ¹⁷⁷Hf, ¹⁷⁸Hf, ¹⁷⁹Hf, ¹⁸⁰Hf
Tantale	73	^180mTa, ¹⁸¹Ta
Tungstène	74	(¹⁸⁰W), ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W, ¹⁸⁶W
Rhénium	75	¹⁸⁵Re, ¹⁸⁷Re
Osmium	76	¹⁸⁴Os, (¹⁸⁶Os), ¹⁸⁷Os, ¹⁸⁸Os, ¹⁸⁹Os, ¹⁹⁰Os, ¹⁹²Os
Iridium	77	¹⁹¹Ir, ¹⁹³Ir
Platine	78	(¹⁹⁰Pt),¹⁹²Pt, ¹⁹⁴Pt, ¹⁹⁵Pt, ¹⁹⁶Pt, ¹⁹⁸Pt
Or	79	¹⁹⁷Au
Mercure	80	¹⁹⁶Hg, ¹⁹⁸Hg, ¹⁹⁹Hg, ²⁰⁰Hg, ²⁰¹Hg, ²⁰²Hg, ²⁰⁴Hg
Thallium	81	²⁰³Tl, ²⁰⁵Tl
Plomb	82	²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb
Bismuth	83	(²⁰⁹Bi)
Thorium	90	²³²Th
Uranium	92	²³⁵U, ²³⁸U
Plutonium	94	²⁴⁴Pu (?)

Isotopes stables et quasi stables

Article détaillé : Isotope stable.

Tous les éléments de numéro atomique Z inférieur ou égal à 82 (éléments plus légers que le plomb) ont au moins un isotope stable, à l'exception de deux éléments : le technétium (Z = 43) et le prométhium (Z = 61). L'isotope ²⁰⁹Bi, de numéro atomique 83, est quasi stable (demi-vie d'environ 2 × 10¹⁹ années, largement supérieure à l'âge de l'univers). Les seuls isotopes primordiaux de numéro atomique plus élevé sont ceux du thorium (Z = 90) et de l'uranium (Z = 92), et peut-être du plutonium (Z = 94), qui forment un îlot de stabilité (leurs périodes radioactives sont considérablement plus grandes que celles des autres isotopes de masse proche).

Tous les isotopes stables ou quasi stables sont des nucléides primordiaux : il n'y a pas d'isotope stable qui soit absent du milieu naturel sur Terre. Cependant, les proportions relatives de certains isotopes stables ont pu évoluer avec le temps, notablement avec le plomb qui est l'aboutissement des chaînes de désintégration majeures : une partie du plomb 208, par exemple, est d'origine radiogénique, descendant du thorium 232 ; seule une minorité des atomes de cet isotope présents dans le milieu naturel sont effectivement là depuis la formation de la Terre. L'isotope purement primordial plomb 204 est minoritaire parmi les isotopes du plomb.

Radioisotopes

Article détaillé : Radioisotope primordial.

La liste exacte des radioisotopes primordiaux n'est pas nécessairement fixe : il existe de nombreux isotopes pour l'instant considérés comme stables dont la radioactivité est soupçonnée sur des bases théoriques.

Sur les 36 nucléides primordiaux dont la radioactivité a été établie avec certitude,

Deux n'ont pas encore été détectés avec certitude dans le milieu naturel : le plutonium 244 et le samarium 146.
Trois ont une chaîne de désintégration : il s'agit des radioisotopes lourds ²³²Th (demi-vie de 14 milliards d'années), ²³⁸U (demi-vie de 4,5 milliards d'années, environ trois fois moins abondant que le thorium), et ²³⁵U (demi-vie de 700 millions d'années, abondance de l'ordre de 0,7 % de l'uranium). Ces isotopes primordiaux sont à l'origine de la présence sur Terre de plus d'une quarantaine d'autres isotopes radioactifs, présents dans leur chaînes de désintégration.
Plusieurs sont utilisés dans des méthodes de datation : le ⁴⁰K est par exemple utilisé dans le cadre de la datation par le potassium-argon.

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Primordial nuclide » (voir la liste des auteurs).

Notes

↑ Le noyau de l'hydrogène ordinaire, ou protium, est constitué d'un unique proton. Ce proton a été formé par décomposition radioactive d'un neutron, dans la même période de temps que la nucléosynthèse primordiale mais sans synthèse à proprement parler. L'hydrogène lourd, ou deutérium, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, a bien été formé par nucléosynthèse, mais il est très minoritaire devant le protium.

Références

↑ Paul K. Kuroda, « Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature », Accounts of Chemical Research, vol. 12,‎ 1^er février 1979, p. 73–78 (ISSN 0001-4842, DOI 10.1021/ar50134a005, lire en ligne, consulté le 8 novembre 2016)
↑ Johannes Lachner, Iris Dillmann, Thomas Faestermann et Gunther Korschinek, « Attempt to detect primordial ²⁴⁴Pu on Earth », Physical Review C, vol. 85,‎ 3 janvier 2012, p. 015801 (DOI 10.1103/PhysRevC.85.015801, lire en ligne, consulté le 8 novembre 2016)

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

(en) « Live Chart of Nuclides : nuclear structure and decay data » [« Carte interactive des nucléides : structure du noyau et paramètres de désintégration »] (consulté le 8 novembre 2016)

[1] Le noyau de l'hydrogène ordinaire, ou protium, est constitué d'un unique proton. Ce proton a été formé par décomposition radioactive d'un neutron, dans la même période de temps que la nucléosynthèse primordiale mais sans synthèse à proprement parler. L'hydrogène lourd, ou deutérium, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, a bien été formé par nucléosynthèse, mais il est très minoritaire devant le protium.

[2] Paul K. Kuroda, « Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature », Accounts of Chemical Research, vol. 12,‎ 1^er février 1979, p. 73–78 (ISSN 0001-4842, DOI 10.1021/ar50134a005, lire en ligne, consulté le 8 novembre 2016)

[3] Johannes Lachner, Iris Dillmann, Thomas Faestermann et Gunther Korschinek, « Attempt to detect primordial ²⁴⁴Pu on Earth », Physical Review C, vol. 85,‎ 3 janvier 2012, p. 015801 (DOI 10.1103/PhysRevC.85.015801, lire en ligne, consulté le 8 novembre 2016)

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