Nuclide

Un nucléide est un type d'atome défini par le nombre spécifique de protons et de neutrons dans son noyau, ainsi que par son état énergétique nucléaire. Le terme a été introduit en 1947 par le physicien américain Truman P. Kohman, qui l'a décrit comme une « espèce d'atome caractérisée par la constitution de son noyau ». Cette définition mettait à l'origine l'accent sur le noyau lui-même.

Le concept de nucléide diffère de celui d'isotope. Alors que les isotopes désignent des atomes d'un même élément (même nombre de protons) avec un nombre de neutrons différent, le terme nucléide a été créé pour se concentrer sur les propriétés nucléaires indépendamment du comportement chimique. Par exemple, le carbone-13 (⁶¹³C) possède 6 protons et 7 neutrons. Bien que le terme « isotope » reste courant dans des domaines comme la technologie nucléaire et la médecine, « nucléide » est le terme le plus précis lorsqu'il s'agit de discuter des caractéristiques nucléaires. En physique nucléaire, le nombre de neutrons peut être aussi important que le nombre de protons — contrairement à la chimie, où le nombre de neutrons n'a qu'un effet mineur, sauf pour l'hydrogène et l'hélium. Pour l'hydrogène, l'effet isotopique est suffisamment fort pour influencer les systèmes biologiques. Pour l'hélium, ⁴₂He obéit aux statistiques de Bose-Einstein, tandis que ³₂He obéit aux statistiques de Fermi-Dirac, ce qui entraîne des différences majeures dans les propriétés physiques à basse température.

Bien qu'ils soient souvent utilisés de manière interchangeable, « nucléide » et « isotope » décrivent des relations différentes. Les isotopes sont des nucléides ayant le même nombre de protons (même élément) mais un nombre de neutrons différent. Les isobares sont des nucléides ayant le même nombre de masse mais des numéros atomiques différents. Les isotones partagent le même nombre de neutrons mais diffèrent par le nombre de protons. Les isodiaphères ont le même excès de neutrons (N − Z). Le terme « isotone » a été calqué sur « isotope » pour souligner que la caractéristique constante est le nombre de neutrons. Les isomères nucléaires sont un cas particulier : ce sont des nucléides ayant le même nombre de protons et le même nombre de masse (donc le même isotope) mais des états d'excitation différents. Par exemple, le technétium-99m et le technétium-99 sont deux nucléides différents du même isotope. L'isomère nucléaire à la plus longue durée de vie est le tantale-180m, avec une demi-vie supérieure à 10¹⁷ ans ; il est présent à l'état naturel et on ne l'a jamais observé se désintégrer vers son état fondamental. En revanche, le tantale-180 à l'état fondamental se désintègre en environ 8 heures.

Il existe 251 nucléides dans la nature qui n'ont jamais été observés en train de se désintégrer, répartis parmi 80 éléments possédant au moins un isotope stable. Les nucléides instables sont radioactifs et appelés radionucléides ; leurs produits de désintégration sont des nucléides radiogéniques.

Les radionucléides naturels se répartissent en trois groupes. Premièrement, les radionucléides primordiaux ont des demi-vies suffisamment longues pour survivre depuis la formation de la Terre (il y a environ 4,6×10⁹ ans), provenant de la nucléosynthèse stellaire antérieure à la formation du Système solaire. Par exemple, l'uranium-238 (demi-vie 4,463×10⁹ ans) est encore courant, tandis que l'uranium-235 (demi-vie 0,704×10⁹ ans) est aujourd'hui 138 fois plus rare. Trente-cinq de ces radionucléides primordiaux sont connus. Le deuxième groupe est constitué de nucléides radiogéniques, comme le radium-226 (demi-vie 1600 ans), qui se forment par désintégration radioactive au sein des chaînes de désintégration de l'uranium ou du thorium primordiaux. Certains d'entre eux, comme les isotopes du francium, ont une durée de vie très courte ; environ 50 nucléides fils existent uniquement par la désintégration de parents primordiaux à plus longue durée de vie. Le troisième groupe comprend les nucléides produits par des réactions nucléaires naturelles, et non par une simple désintégration spontanée. Ceux-ci apparaissent lorsque des atomes interagissent avec des neutrons naturels (provenant des rayons cosmiques, de la fission spontanée ou d'autres sources) ou sont directement bombardés par des rayons cosmiques. Ceux provenant des rayons cosmiques sont appelés nucléides cosmogéniques ; les autres, issus de réactions nucléaires naturelles, sont des nucléides nucléogéniques. Les produits de la fission spontanée varient considérablement mais se désintègrent rapidement — sur des temps géologiques — soit en nucléides primordiaux, soit en l'un des sept produits de fission à longue durée de vie, que l'on trouve donc dans la nature.