vignette|Différents modes de désintégration radioactive : radioactivités α, β et β, capture électronique (ε), émission de neutron (n) et émission de proton (p). N et Z sont le nombre de neutrons et le nombre de protons des noyaux considérés.
Une chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou série radioactive, ou désintégration en cascade, ou encore filiation radioactive, est une succession de désintégrations d'un radioisotope jusqu'à un élément chimique dont le noyau atomique est stable (par conséquent non radioactif), généralement le plomb (Pb), élément le plus lourd possédant des isotopes stables.
Dans une chaîne de désintégration, le noyau instable appelé « père » atteint ainsi la stabilité par une succession de désintégrations. Chaque étape est caractérisée par un état intermédiaire correspondant à un radionucléide appelé « fils » de l'élément père. vignette|droite|550px|Une partie d'une chaîne de désintégration, aboutissant à un isotope stable, le plomb 206.
Généralités Chaîne de désintégration Lors d'une désintégration, l'élément radioactif se transforme en un autre élément appelé produit de désintégration. Une désintégration peut être représentée graphiquement par un schéma de désintégration, particulièrement utile lorsque la désintégration peut présenter des variantes complexes. Ce produit de désintégration est généralement lui-même radioactif, et sa propre désintégration conduira à un troisième élément, et ainsi de suite. De proche en proche, le noyau radioactif perd ses nucléons en excès (par la radioactivité alpha) ou ses neutrons en excès (par radioactivité bêta), jusqu'à atteindre une configuration stable non radioactive, correspondant le plus souvent à un atome de plomb.
La chaîne de désintégration désigne cette série de radioisotopes, qui fait passer de la tête de série (un atome d'uranium ou de thorium, pour les éléments minéralogiques) jusqu'à l', à travers tous les descendants successifs.
Il y a deux grands types de chaînes de désintégration. Celles des éléments lourds, de poids atomique supérieur au plomb, sont relativement lentes et comprennent des éléments subissant une désintégration alpha. Celles des produits de fission sont beaucoup plus rapides ; elles perdent des neutrons en excès généralement via des désintégrations bêta (et parfois par l'émission d'un neutron).
Par ailleurs, pour certains éléments, il peut se produire spontanément non pas une désintégration, mais une fission nucléaire, à l'origine de plusieurs chaînes de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 se transforme dans une très faible proportion en deux produits de fission en émettant quelques neutrons. Un autre exemple est constitué par le californium 252, pour lequel le taux de fission spontanée est d'environ 3 %. Cette fission spontanée ne conduit pas à des produits dans la chaîne de désintégration.
Radioactivité globale d'un minerai vignette|Minerai d'uranium (pechblende dans de la dolomite).
Seuls les radionucléides dont la demi-vie se compte en millions d'années peuvent faire l'objet d'une minéralisation. Un tel élément « père » domine la chaîne en termes de composition chimique, et constitue le début de la chaîne de désintégration.
Lors de son dépôt, l'élément est généralement isolé ; mais au fur et à mesure de sa désintégration, les produits de désintégration successifs vont lentement apparaître, et se désintégrer rapidement à leur tour pour donner place à leurs propres descendants.
L'énergie de désintégration se traduit par de l'énergie cinétique et un léger déplacement de l'atome (de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres), qui reste généralement piégé dans son minerai d'origine. Cependant, l'atome proche des joints peut être libéré, et ceux dont la demi-vie est supérieure à quelques jours peuvent avoir le temps de diffuser dans le flux hydrogéologique local. Dans le cas du radon, qui est un gaz noble, la diffusion peut être beaucoup plus rapide et peut être aérienne, ce qui peut entraîner un risque radiologique si de très fortes concentrations sont atteintes.
À l'échelle des temps géologiques, la chaîne tend rapidement vers l'équilibre séculaire : à chaque étape, il se détruit autant de radionucléide (par sa propre désintégration spontanée) qu'il s'en produit (par la désintégration de l'élément amont). En amont de la chaîne, tant que l'âge géologique n'atteint pas l'ordre de grandeur de sa demi-vie, l'élément « père » reste sensiblement constant dans la composition minéralogique ; les descendants sont présents à l'état de trace dans des proportions constantes. En fin de chaîne, l' (ou quasi stable) s'accumule au fil du temps (ce qui permet généralement de dater la formation du minéral).
L'activité d'un radionucléide étant inversement proportionnelle à sa durée de vie, chaque maillon de la chaîne a la même contribution pour ce qui est du nombre de désintégrations par seconde (becquerel), mais le nombre d'atomes d'un descendant dans le minerai est alors pratiquement proportionnel à sa demi-vie. Ainsi, accompagnant de l'uranium 238 (), on trouve toujours à l'équilibre dynamique une faible proportion de son descendant l'uranium 234 () dans une proportion de 0,25/=0,0056 %.
L'activité globale d'une chaîne de désintégration à l'équilibre est celle de son maillon dominant, multipliée par le nombre d'étapes de la chaîne. En particulier, pour un minerai d'uranium (majoritairement U), la radioactivité due au radon est du même niveau que celle due à l'uranium proprement dit, c'est-à-dire 7 % de la radioactivité globale (parce que la chaîne de désintégration a quatorze étapes).
Ainsi dans un minerai contenant d'uranium ( compris), la proportion atomique totale des 12 descendants émetteurs alpha autres que l' vaut environ 1,735 (~0,0017 %) ce qui demeure très faible. L'activité alpha totale d'un minerai d'uranium contenant d'uranium naturel ressort à .
Désintégrations simples C'est une propriété assez remarquable des corps radioactifs dont la période est supérieure à quelques minutes de n'émettre aucun neutron ni proton, qui sont pourtant les nucléons de base constitutifs des noyaux des atomes, mais uniquement, en ce qui concerne les particules, des électrons ou des particules alpha (4 nucléons), accompagnés généralement d'un rayonnement électromagnétique (rayonnement gamma) s'il y a réarrangement concomitant du cortège électronique autour du noyau. Il est en effet plus « économique » au sens énergétique du terme et efficace pour le noyau en excès de neutron d'éjecter un électron plutôt qu'un neutron. De même pour le noyau en excès de protons, l'éjection d'un positron plutôt qu'un proton lui permet de rallier la stabilité de façon plus efficace.
On ne rencontre donc que trois modes de désintégration pour ces éléments lourds : Le rayonnement α consiste en l'émission d'un noyau d'hélium, constitué de deux neutrons et deux protons ; Le rayonnement β− consiste en l'émission d'un électron (chargé négativement) ; Le rayonnement β+ par celle d'un positron (ou antiélectron, chargé positivement). Il découle de cela le fait que les transformations des corps radioactifs non émetteurs alpha de période supérieure à quelques minutes s'effectuent uniquement suivant la diagonale dans la table des isotopes. En outre, sur ces trois formes de radioactivité, les deux dernières ne font pas varier le nombre de nucléons. Un corps radioactif peut voir son nombre de nucléons changer/diminuer uniquement par groupe de quatre nucléons en émettant une particule alpha (un noyau d'hélium).
Pratiquement toutes les désintégrations radioactives d'éléments lourds conduiront à un radionucléide dont le nombre de nucléons reste constant modulo quatre, compte tenu du mode de décroissance des actinides : la radioactivité α fait perdre quatre nucléons, tandis que la radioactivité β− (et le cas échéant, la radioactivité β+) ne modifie pas le nombre de nucléons. Pour cette raison, il n'y a que quatre chaînes de désintégration.
Trois de ces chaînes se rencontrent dans la nature : celles de l'uranium 235, de l'uranium 238, et du thorium 232. La quatrième chaîne, celle du neptunium 237, a disparu lors des premiers âges de la Terre, et ne comporte que des radionucléides artificiels.
Ces chaînes se prolongent en amont par les actinides artificiels transuraniens, plus lourds et plus instables.
Famille 4n+0 du thorium 232 vignette|transformation du 240Pu en 236U puis en 232Th. Le plutonium 240 est produit en réacteur à partir du plutonium 239, par capture neutronique. La proportion de plutonium 240 dans les produits d'activation de l'uranium sera d'autant plus élevée qu'il aura subi une irradiation prolongée en réacteur. À long terme, la radioactivité du plutonium 240 est dominée d'abord par l'uranium 236, et à échelle de temps géologique, par le thorium 232, quasiment stable (il est présent dans l'écorce terrestre en quantité quatre fois plus importante que l'uranium).
Le plutonium 244 est le plus stable des isotopes du plutonium, mais il n'est pas produit en réacteur en quantités significatives. La présence du plutonium 244 pendant la formation du Système solaire (radioactivité éteinte) est attestée par l'observation de traces de fission spécifiques dans les échantillons anciens (dans les météorites, notamment), et repérable dans la composition isotopique du xénon d'échantillons similaires.
vignette|300px|droite|Famille radioactive du thorium.
Élément chimique Rayonnement Observable en spectrométrie Demi-vie Plutonium 244 244Pu Radioactivité α non 80 a Uranium 240 U Radioactivité β difficilement (I < 1,1 %) 14,1 h Neptunium 240 Np Radioactivité β oui (plusieurs raies intenses) 62 min Plutonium 240 Pu Radioactivité αpresque impossible a Uranium 236 U Radioactivité α presque impossible 23,42 a Thorium 232 Th Radioactivité α difficilement (I < 0,3 %) 14,05 a Radium 228 228Ra Radioactivité β− presque impossible 5,75 a Actinium 228 228Ac Radioactivité β− oui (plusieurs raies intenses) 6,15 h Thorium 228 228Th Radioactivité α difficilement 1,9 a Radium 224 224Ra Radioactivité α oui (raie 4,1 % à ) 3,63 j Radon 220 (Thoron) 220Rn Radioactivité α difficilement 55,6 s Polonium 216 216Po Radioactivité α presque impossible 0,145 s Plomb 212 212Pb Radioactivité β oui (raie 43,6 % à ) 10,64 h Bismuth 212 212Bi β− 64,06 % ; α 35,94 % oui 60,55 min → β− : Polonium 212 212Po α : Pb non 0,3 μs → α : Thallium 208 208Tl β− : 208Pb oui 3,053 min Plomb 208 Pb Stable Le 212Bi se désintègre en 212Po par radioactivité β− dans 64 % des cas et en 208Tl par radioactivité alpha dans 36 % des cas.
Aucun des descendants du thorium 232 (le seul isotope primordial de cette chaîne) n'a de demi-vie très élevée. Ainsi, la proportion atomique totale des 6 descendants émetteurs alpha du thorium dans le minerai apparait très faible, à peine 8,54. L'activité alpha d'un minerai de thorium contenant de thorium 232 vaut six fois celle du thorium 232 pur, soit sensiblement . L'activité bêta est du même ordre.
Certains de ses descendants émettent un rayonnement gamma de très grande énergie, comme le radium 224 (), le radon 220 (), le bismuth 212 () et surtout le thallium 208 ().
En outre, les résidus miniers dont a été extrait le thorium cessent rapidement d'être significativement radioactifs, contrairement au cas des résidus radifères de l'uranium.
Famille 4n+1 du neptunium 237 vignette|redresse=1.3|Famille radioactive du neptunium. Cette série est entièrement artificielle. La durée de vie de cette série est insuffisante pour que l'on en trouve des traces minéralogiques. Les radioisotopes correspondants n'ont été isolés qu'après l'invention du réacteur nucléaire, et n'ont donc pas de désignation historique.