Nucléides présents dans l'environnement

Notes :

• Si un nucléide est primordial, il n'est pas répété parmi la liste des nucléides radiogéniques, cosmogéniques ou artificiels, même s'il peut être également issu de l'une de ces voies.
• Certains nucléides sont indiqués comme artificiels (par généralisation) si on ne les retrouve naturellement dans l'environnement que sur le site du réacteur nucléaire naturel d'Oklo.
• Certains isotopes sont probablement présents dans l'environnement, mais n'y ont pour l'instant jamais été observés avec certitude car présents en trop faibles quantités, ils sont indiqués avec (?).
• Certains isotopes (par exemple ²⁶Ne) ont des demi-vies si brèves (une fraction de seconde) que l'on ne peut les trouver dans l'environnement, même si on sait qu'ils s'y trouvent ce n'est que de la manière la plus fugace.
• On peut constater une alternance entre Z pair, éléments avec plusieurs isotopes stables ou quasi-stables, et Z impair, éléments avec peu ou pas d'isotopes stables : cette structure s'explique mieux en considérant tous les nucléides selon leur place dans la Vallée de stabilité.

Les nucléides primordiaux, issus (à l'exception de l'hydrogène) de la nucléosynthèse stellaire, sont présents sur Terre depuis la formation de celle-ci, et sont soit stables, soit instables mais avec une demi-vie assez longue pour avoir survécu depuis. Leur radioactivité est soit absente, soit très faible (et dans de nombreux cas difficilement détectable). Seuls neuf nucléides radioactifs avec une demi-vie inférieure à dix fois l'âge de l'univers ont été détectés avec certitude sur Terre : par ordre de demi-vie décroissante (et donc radioactivité croissante), il s'agit de ¹⁴⁷Sm, ¹³⁸La, ⁸⁷Rb, ¹⁸⁷Re, ¹⁷⁶Lu, ²³²Th, ²³⁸U, ⁴⁰K et ²³⁵U. Les isotopes du thorium et de l'uranium sont à la tête des chaînes de désintégrations majeures sur Terre, et donc responsables de la présence d'une quarantaine d'autres nucléides, ceux-là radiogéniques et nettement plus radioactifs. On soupçonne qu'il sera possible, avec les progrès de la chimie analytique, de détecter le ¹⁴⁶Sm (demi-vie d'environ 100 millions d'années), et la détection du ²⁴⁴Pu a été annoncée dans les années 1970, mais depuis remise en question.

Les nucléides radiogéniques sont issus des désintégrations radioactives d'autres nucléides, en premier lieu les nucléides primordiaux. Ils peuvent être stables (comme l'argon 40, descendant du potassium 40), ou eux-mêmes radioactifs. Presque tous les isotopes radioactifs des éléments lourds (Z = 81, Thallium, à Z = 92, Uranium), sont d'origine radiogénique (les exceptions sont les quatre radioisotopes primordiaux des éléments bismuth, thorium et uranium). Par ailleurs trois des quatre isotopes stables du plomb et l'un des deux isotopes stables du thallium sont également issus des chaînes de désintégration.

Quelques rares nucléides radiogéniques ne sont pas isotopes d'éléments lourds et/ou pas issus d'une chaîne de désintégration du thorium ou de l'uranium :

• Le prométhium 147 est issu de la désintégration de l'europium 151 ; celui-ci ayant une très longue demi-vie - un milliard de fois l'âge de la Terre - son produit de désintégration est très rare, d'autant qu'il a lui-même une demi-vie d'à peine 30 mois.
• Le scandium 48 est issu de la désintégration du calcium 48 : non seulement le calcium 48 a une demi-vie encore plus longue que l'europium 151, mais son produit de désintégration a une demi-vie de moins de 2 jours.

On sait que ces nucléides doivent être présents dans la nature puisque leur isotope parent, dont on connaît le mode de désintégration, s'y trouve, mais on ne les y a jamais détectés.

Les nucléides cosmogéniques sont issus de l'interaction des rayons cosmiques avec les nucléides terrestres. Ils sont tous présents à l'état de faibles traces, mais peuvent avoir une importance non négligeable, comme en témoigne l'utilisation du carbone 14 (présent dans l'environnement à hauteur d'à peine un ou deux atomes de ¹⁴C pour 10¹² atomes de ¹²C) dans la datation des restes d'origine biologique.

Les nucléides artificiels sont essentiellement produits en laboratoire ou issus de l'industrie du nucléaire. La plupart ont des périodes radioactives très courtes, mais les rares nucléides artificiels à demi-vie longue produits en quantité par l'industrie nucléaire sont susceptibles de contaminer l'environnement[6]. Il y a 13 isotopes dans cette catégorie, que l'on peut diviser en deux groupes :

• Demi-vie longue (supérieure à un siècle), par ordre d'abondance décroissante : ¹³⁵Cs, ⁹³Zr, ⁹⁹Tc, ¹²⁹I, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁶Sn, ⁷⁹Se
• Demi-vie moyenne (entre 10 et 100 ans), par ordre d'abondance décroissante : ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ⁸⁵Kr, ¹⁵¹Sm, ^121mSn, ^113mCd. Le premier, le césium 137, est de loin le plus important marqueur des contamination environnementales accidentelles comme celles de Tchernobyl ou Fukushima[7].

Outre les rejets issus de l'industrie du nucléaire, la plus importante source de contamination vient des essais nucléaires réalisés dans l'atmosphère entre 1945 et 1980. C'est notamment la source presque exclusive des radioisotopes transuraniens dans l'environnement : isotopes du plutonium et américium 241. C'est également la cause du pic de chlore 36 dans les années 1950 utilisé dans le suivi des eaux souterraines. Il y a également quelques rejets de radioisotopes à vie courte utilisés dans le domaine médical, notamment l'iode 131, mais ces contaminations de l'environnement ne sont, par nature, pas persistantes.

Certains nucléides sont généralement considérés comme artificiels, car issus de réactions de fission typiques des réacteurs nucléaires, néanmoins on peut en trouver quelques traces naturellement présentes sur le site du réacteur nucléaire naturel d'Oklo (c'est notamment le cas des seuls isotopes naturels des éléments technétium et prométhium).