Les types de radioactivité.
Plusieurs types de désintégrations existent, chacun caractérisé par une nature spécifique des particules émises et par des changements dans la composition du noyau. Les principaux sont la radioactivité alpha (émission d'un noyau d'hélium), bêta (émission d'un électron ou d'un positon) et gamma (émission de photons de très haute énergie). Ces trois grands types de radioactivité sont fréquemment associés entre eux dans les chaînes de désintégration des noyaux lourds. Ils traduisent la recherche par le noyau d'un état plus stable, à travers des transformations successives. 

Radioactivité alpha.
La radioactivité alpha (α) est une des formes les plus anciennes et les plus faciles à détecter est. Dans ce cas, le noyau éjecte une particule α, qui correspond à un noyau d'hélium , formé de deux protons et de deux neutrons. Cette émission diminue le nombre de masse du noyau de quatre unités et son numéro atomique de deux, entraînant une transmutation en un élément chimique différent. Par exemple :

Ce type de désintégration concerne principalement les noyaux lourds (Z > 83) dans lesquels la répulsion électrostatique entre protons devient trop forte pour être compensée par la force nucléaire. Les particules alpha, bien que massives et fortement chargées, possèdent un faible pouvoir de pénétration, se limitant à quelques centimètres dans l'air ou à une simple feuille de papier.

Radioactivité bêta.
La radioactivité bêta (β⁻/β⁺) se produit lorsqu'un excès de neutrons ou de protons déséquilibre le noyau.

Dans la désintégration bêta négative (β⁻), un neutron se transforme en proton, tout en émettant un électron et un antineutrino électronique :

Ce processus, qui vise à abaisser un rapport N/Z trop élevé, augmente le numéro atomique de 1 sans modifier le nombre de masse, car un neutron est remplacé par un proton. À l'inverse, dans la désintégration bêta positive (β⁺), qui permet  d'augmenter unrapport N/Z trop faible, un proton se convertit en neutron avec émission d'un positon et d'un neutrino selon : 

Radioactivité gamma.
Un noyau excité peut également se désexciter par émission d'un rayonnement électromagnétique de haute énergie. Cela correspond à la radioactivité gamma (γ). Dans ce cas, aucun changement de nature chimique n'a lieu, car ni le nombre de masse ni le numéro atomique ne sont modifiés. Le noyau libère simplement un excès d'énergie sous forme de photons gamma, souvent après une désintégration alpha ou bêta. Les rayonnements gamma sont extrêmement pénétrants et nécessitent des écrans épais de plomb ou de béton pour être atténués.

Autres modes de désintégration.
En plus des trois formes classiques de radioactivité, il existe des modes de désintégration plus rares, qui impliquent principalement certains noyaux très riches en protons ou en neutrons, ou des noyaux très lourds.

• Radioactivité proton et radioactiovité neutron. - Dans certains cas, un noyau instable peut émettre directement un proton. Cette radioactivité proton apparaît dans les noyaux proches de la limite de stabilité pour les protons, là où la répulsion électrostatique devient très forte. L'émission de proton réduit le numéro atomique de 1, le nombre de masse est diminué d'une unité. C'est un phénomène relativement rare, observé dans des isotopes artificiels produits en laboratoire. À l'opposé, certains noyaux riches en neutrons peuvent éjecter un neutron. La radioactivité neutron conduit alors à une diminution du nombre de masse d'une unité, sans modification du numéro atomique. Ce type de désintégration est plus fréquent dans des noyaux exotiques créés dans les accélérateurs.

• Radioactivité diproton. - Une autre forme de désintégration particulière est l'émission de particule double, comme l'émission de deux protons simultanément, appelée radioactivité diproton ou radioactivité 2-protons). Elle se produit lorsque l'émission simultanée est plus favorable que l'émission successive, en raison de barrières énergétiques. Ces processus restent rares et constituent surtout des sujets d'étude pour la physique des noyaux très instables. 

• Double désintégration bêta. - Un autre phénomène rare mais théoriquement possible est la double désintégration bêta. Dans ce processus, deux neutrons d'un même noyau se transforment simultanément en deux protons, avec émission de deux électrons et de deux antineutrinos. L'équation s'écrit : (Z, A)    →    (Z+2, A) + 2e⁻ + 2. Ce processus est extrêmement lent et n'a été observé que dans certains isotopes particuliers, comme le germanium 76 ou le xénon 136. Il existe également une hypothèse encore plus fondamentale, celle de la double bêta sans émission de neutrinos, qui permettrait de vérifier si le neutrino est sa propre antiparticule (particule de Majorana). Dans le même ordre d'idées, notons qu'il pourrait aussi exister une forme de désintégration double par l'émission de deux particules alpha.

• Fission spontanée. - Pour les noyaux très lourds, proches de la limite supérieure du tableau périodique, on observe un mode de désintégration appelé fission spontanée. Le noyau, au lieu d'émettre une petite particule, se scinde en deux fragments de taille comparable, accompagnés de l'émission de neutrons et d'une grande quantité d'énergie. Contrairement à la fission induite par des neutrons (utilisée dans les réacteurs), la fission spontanée survient sans déclenchement externe. Elle devient de plus en plus probable lorsque le noyau contient un grand nombre de protons et de neutrons, comme c'est le cas pour l'uranium, le plutonium ou les éléments transuraniens.

Mathématiquement, cette probabilité s'exprime par une équation différentielle. Si l'on note N(t) le nombre de noyaux radioactifs à l'instant t et λ la constante radioactive (caractéristique du nucléide considéré), la loi s'écrit : dN(t)/dt = −λN(t). Le signe négatif indique que N(t) diminue avec le temps. La résolution de cette équation différentielle conduit à la fonction exponentielle décroissante qui est la forme la plus courante pour exprimer la loi : N(t) = N0e^−λt. Dans cette expression, N0​ représente le nombre initial de noyaux radioactifs à l'instant t = 0.

La loi de décroissance radioactive est statistique par nature. Il est impossible de prédire à quel moment précis un noyau individuel se désintégrera; on ne peut que donner une probabilité de désintégration sur une période donnée. La constante λ représente précisément cette probabilité de désintégration par unité de temps pour un noyau. La décroissance exponentielle n'est donc valable et observable que pour un très grand nombre de noyaux, où les fluctuations statistiques deviennent négligeables.

Cette loi permet également de définir l'activité A(t) d'une source radioactive, qui correspond au nombre de désintégrations par seconde. Elle est mesurée en becquerels (Bq). L'activité suit la même décroissance exponentielle que le nombre de noyaux : A(t) = −dN/dt = λN(t) = N0e^−λt = A0e^−λt, où A0 = λN0​ est l'activité initiale à t = 0.

Une autre grandeur essentielle, plus concrète, est la période radioactive, ou demi-vie, notée T. Il s'agit du temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs présents se désintègrent. On peut la relier à la constante radioactive λ en posant N(T)=N0/2  dans la solution de la loi. On obtient alors : N0/2 = N0e^−λt. En simplifiant et en prenant le logarithme népérien, on trouve la relation : ln⁡(1/2)=−λT, soit T = ln⁡(2)/λ.

Datation radioactive.
Différentes techniques utilisent la désintégration radioactive de certains isotopes pour de déterminer l'âge des matériaux naturels. Parmi elles, on peut citer la méthode du carbone-14 qui est particulièrement utilisée pour dater des matériaux organiques, comme le bois ou les ossements, jusqu'à environ 50 000 ans. La méthode du potassium-argon et de ses dérivés (argon-argon) est employée pour dater des roches volcaniques et des minéraux anciens, pouvant atteindre des millions d'années. La méthodologie de l'uranium-thorium repose sur la transformation successive de l'uranium-238 en thorium-230, ce qui est utile pour dater les calcites, stalactites ou coraux. Enfin, les techniques de l'uranium-plomb et du rubidium-strontium sont d'autres méthodes largement utilisées pour dater des roches anciennes, avec un potentiel d'application jusqu'à plusieurs milliards d'années.

Carbone-14.
La méthode du carbone-14 est largement utilisée pour dater des matériaux organiques, comme le bois, les ossements, les tissus ou les charbons, remontant à quelques centaines d'années jusqu'à environ 50 000 ans. Le carbone-14 est un isotope radioactif du carbone, produit naturellement dans l'atmosphère par le rayonnement cosmique qui bombarde les nuages de particules chargées. Ce rayonnement transforme une partie des atomes de carbone-12 en carbone-14. Le carbone-14 est ensuite assimilé par les organismes vivants via l'air et l'eau, en proportion avec le carbone-12 stable. Une fois l'organisme mort, l'absorption de carbone-14 cesse et le carbone-14 présent dans le corps commence à se désintégrer en azote-14, suivant une demi-vie de 5730 ans. La désintégration radioactive du carbone-14 est régulière et prévisible, ce qui permet de déterminer l'âge d'un échantillon en mesurant la proportion de carbone-14 restant par rapport au carbone-12.

Pour effectuer une datation au carbone-14, un échantillon de matière organique est collecté et traité pour isoler les composés contenant du carbone. Des techniques comme la combustion pour les tissus ou l'acide phosphorique pour les ossements peuvent être utilisées pour extraire le carbone. L'échantillon est ensuite analysé par spectrométrie de masse ou par comptage par détecteur de particules alpha ou beta. Ces méthodes permettent de mesurer la concentration relative de carbone-14 et de carbone-12.

Il existe également une version améliorée de cette technique appelée datation au carbone-14 AMS (Accelerator Mass Spectrometry), qui permet de mesurer des concentrations de carbone-14 beaucoup plus faibles et donc d'étendre la plage d'âge des échantillons jusqu'à environ 60 000 ans. Cette méthode est particulièrement précise pour les échantillons contenant de petites quantités de carbone.

Bien que la datation au carbone-14 soit une méthode puissante, elle présente certaines limitations. Par exemple, les niveaux de carbone-14 dans l'atmosphère ont fluctué au cours du temps en raison des variations solaires ou des changements climatiques. Pour compenser cela, des corrections sont appliquées en utilisant des courbes de calibration basées sur des séries temporelles de données provenant de sources indépendantes, comme les anneaux de croissance des arbres ou les couches de glace polaires.

Potassium-argon. Argon-argon.
La méthode du potassium-argon et son dérivé, la méthode de l'argon-argon, sont des techniques spécialement appropriées pour dater des roches volcaniques et des minéraux anciens. Le potassium-40, présent naturellement dans les roches, est un isotope instable qui se désintègre en argon-40, un gaz inerte. Lorsque la roche est formée, elle contient une quantité fixe de potassium-40. Avec le temps, une partie de ce potassium se transforme en argon-40, qui reste emprisonné dans la roche. En mesurant la quantité de potassium-40 restant et celle d'argon-40 produit, il est possible de calculer l'âge de la roche. La méthode argon-argon  utilise une étape supplémentaire de chauffage de l'échantillon sous un flux de neutrons pour convertir une partie du potassium-39 en argon-39. Cela permet de mieux calibrer et de réduire les erreurs dans la mesure du rapport entre potassium-40 et argon-40, offrant ainsi une précision accrue dans la datation. La méthode potassium-argon est particulièrement efficace pour dater des échantillons ayant entre 100 000 et plusieurs millions d'années. La méthode argon-argon permet de dater des échantillons encore plus anciens, jusqu'à plusieurs milliards d'années, en fournissant des résultats plus fiables et plus précis que la méthode potassium-argon classique.

Uranium-thorium.
La méthode uranium-thorium est utilisée pour dater des matériaux riches en éléments du groupe des actinides, comme les calcites, les coraux ou les stalactites. L'uranium-238, présent naturellement dans ces matériaux, subit une série de désintégrations radioactives pour former finalement du plomb 206. Tout au long de cette chaîne de désintégration, différents isotopes intermédiaires sont produits, notamment le thorium-230. Ce dernier est particulièrement important car il se sépare chimiquement de l'uranium, accumulant progressivement dans le matériau. En mesurant la proportion de thorium-230 par rapport à l'uranium-234 dans un échantillon, il est possible de calculer son âge. Cette méthode est très précise pour des échantillons âgés de plusieurs centaines d'années à plusieurs centaines de milliers d'années. Elle est particulièrement utile pour dater des phénomènes géologiques ou archéologiques impliquant des matériaux carbonatés ou calcifiés.

Uranium-plomb.
La méthode uranium-plomb est fondée sur la désintégration de l'uranium-238 en plomb-206 et de l'uranium-235 en plomb-207. Ces deux isotopes d'uranium, présents naturellement dans de nombreux minéraux comme le zircon, subissent une série de désintégrations radioactives au fil du temps. Chaque isotope a sa propre demi-vie : environ 4,47 milliards d'années pour l'uranium 238 et 704 millions d'années pour l'uranium-235. En mesurant la proportion de chaque isotope d'uranium restant et de plomb formé dans un échantillon, il est possible de calculer son âge avec une grande précision. Cette méthode est particulièrement efficace pour dater des échantillons anciens, allant jusqu'à plusieurs milliards d'années. Elle est couramment utilisée pour étudier l'histoire géologique de la Terre dans le contexte de la formation des cristaux minéraux ou des roches ignées.

Rubidium-strontium.
La méthode rubidium-strontium est basée sur la désintégration de l'isotope radioactif du rubidium-87 en strontium-87. Le rubidium-87 est présent naturellement dans de nombreux minéraux comme le mica, le biotite et le muscovite. Lors de la formation de la roche, le rubidium-87 est homogène dans l'échantillon. Au fil du temps, une partie de ce rubidium se désintègre en strontium-87, qui s'accumule dans le matériau. En mesurant la proportion de rubidium-87 restant et de strontium-87 formé, il est possible de calculer l'âge de la roche. Cette méthode est particulièrement adaptée pour dater des échantillons anciens, allant jusqu'à plusieurs milliards d'années. Elle est souvent utilisée pour étudier la thermochronologie, c'est-à-dire la manière dont les roches ont refroidi et évolué depuis leur formation. La méthode rubidium-strontium est également utilisée pour dater des événements géologiques importants, tels que les collisions de plaques tectoniques ou les éruptions volcaniques.

Les familles radioactives.
Une famille radioactive ( = série radioactive), est un ensemble d'éléments chimiques radioactifs qui sont liés les uns aux autres par une chaîne de désintégrations. Le processus commence avec un radioisotope particulier, appelé parent, qui est instable. Pour atteindre une forme plus stable, il se désintègre en émettant des rayonnements (comme une particule alpha ou bêta) et se transforme en un nouvel élément, appelé fils ou descendant. Ce nouvel élément, ou isotope, est souvent lui-même radioactif et instable. Il va donc à son tour se désintégrer en un autre élément, et ainsi de suite. Cette succession de transformations se poursuit étape par étape jusqu'à ce qu'elle aboutisse finalement à un isotope stable, qui ne se désintègre plus. Ce dernier élément est le terme stable de la série.

Il existe quatre familles radioactives naturelles principales qui correspondent à des chaînes de désintégrations successives issues de noyaux lourds instables présents dans la croûte terrestre. Chaque famille débute par un isotope à très longue période, se poursuit par une série de transformations α et β⁻, et se termine sur un isotope stable du plomb ou du bismuth. Elles se distinguent par le nombre de masse des noyaux impliqués, qui obéit à une congruence modulaire particulière, et par les isotopes caractéristiques rencontrés au cours de la chaîne. Dans l'ensemble, ces quatre familles traduisent l'organisation régulière des désintégrations α et β dans les noyaux lourds. Elles expliquent la présence conjointe de plusieurs isotopes dans les minerais radioactifs, structurent l'histoire de la radioactivité terrestre et jouent un rôle fondamental dans la datation géologique, la radioprotection et la compréhension de l'évolution des éléments dans la nature.

Série du thorium.
La première famille, appelée parfois série du thorium, correspond à la suite des noyaux dont le nombre de masse est divisible par 4. Elle débute par le thorium-232, dont la demi-vie est de l'ordre de 14 milliards d'années, soit comparable à l'âge de la Terre. Ce noyau subit une succession de désintégrations α et β⁻, produisant notamment le radium-228, l'actinium-228 et divers isotopes du radon et du polonium, avant de s'achever sur le plomb-208 stable.

Série de l'uranium.
La deuxième famille, connue sous le nom de série de l'uranium-radium, rassemble les noyaux dont le nombre de masse est de la forme 4n+2. Elle commence par l'uranium-238, isotope primordial dont la demi-vie est d'environ 4,5 milliards d'années. Sa chaîne est l'une des plus étudiées en raison de l'importance du radon-222, gaz radioactif émanant du sol, et des isotopes du radium, longtemps utilisés en radiothérapie. Les désintégrations multiples mènent finalement au plomb-206 stable.

Série de l'actinium.
La troisième famille, dite série de l'actinium, correspond aux noyaux de la forme 4n+3. Elle est initiée par l'uranium-235, isotope fissile dont la demi-vie avoisine 700 millions d'années. Sa chaîne comprend le thorium-231, le protactinium-231, ainsi que des descendants tels que le radon-219 et plusieurs isotopes du polonium et du bismuth. Cette série se termine sur le plomb-207 stable. Bien que moins abondante que celle de l'uranium-238, elle joue un rôle central en physique nucléaire en raison de l'importance de l'uranium-235 dans les réacteurs et les armes nucléaires.

Série du neptunium.
La quatrième famille, appelée série du neptunium, regroupe les noyaux de la forme 4n+1. Elle devrait théoriquement débuter par le neptunium-237, isotope artificiel, mais dans la nature, cette famille était autrefois représentée par l'isotope primordial plutonium-241 ou par des noyaux aujourd'hui disparus en raison de leurs demi-vies relativement courtes à l'échelle géologique. Ses descendants incluent des isotopes du thorium, du protactinium et de l'uranium, avant de s'achever sur le thallium-205 ou le bismuth-209 stable. À l'époque actuelle, cette série n'est pratiquement plus observable dans les minéraux naturels, sauf à travers des traces infimes de noyaux produits par réactions cosmiques ou artificiellement dans les réacteurs.

La radioactivité dans la vie.
La compréhension scientifique de la radioactivité a profondément marqué les sociétés humaines depuis sa découverte, en ouvrant des perspectives technologiques inédites mais aussi en soulevant des inquiétudes liées à la gestion des déchets radioactifs, au risque d'accidents nucléaires et aux préoccupations de sécurité liées à la prolifération des armes nucléaires.

Dans le domaine médical, elle a permis de développer la radiothérapie pour le traitement des cancers, l'imagerie nucléaire grâce aux traceurs radioactifs, et la stérilisation de matériel médical. Ces usages ont considérablement amélioré la prise en charge des maladies graves et prolongé l'espérance de vie, au prix d'une exposition contrôlée aux rayonnements.

Dans la recherche scientifique, la radioactivité est un outil précieux. Elle a permis , on l'a vu, de dater par exemple les roches et de reconstituer l'histoire de la Terre. Elle a aussi permis d'étudier les mécanismes biologiques à l'échelle cellulaire, et de comprendre la structure de la matière grâce aux isotopes traceurs. Ces usages renforcent la connaissance humaine et soutiennent le développement technologique dans de nombreux secteurs.

Dans la vie quotidienne, certaines applications plus discrètes se sont développées : la conservation des aliments par irradiation, les détecteurs de fumée utilisant l'américium-241, ou encore les techniques industrielles de contrôle de qualité et de mesure par rayonnements. Ces usages banalisés rappellent que la radioactivité n'est pas seulement associée aux grandes mais aussi à des applications les plus pratiques.

Impacts sanitaires et environnementaux.
En contrepartie, les impacts sur la santé publique et l'environnement sont significatifs. 
Les effets de la radioactivité sur la santé et l'environnement dépendent de la dose reçue et du type de rayonnement. À faibles doses, le corps humain peut réparer une partie des dommages causés aux cellules, mais à fortes doses les rayonnements ionisants peuvent provoquer des mutations, des brûlures, des cancers ou la mort cellulaire massive. L'exposition chronique à des radionucléides naturels comme le radon constitue un risque pour les populations. Les travailleurs du nucléaire, les patients soumis à des examens répétés, ou les habitants des zones contaminées par des essais ou des accidents subissent des niveaux variables de rayonnement qui nécessitent une surveillance stricte. La radioécologie s'attache à étudier ces effets à long terme sur les écosystèmes, montrant que les radionucléides peuvent persister dans les sols et les chaînes alimentaires.

Les accidents nucléaires sont l'illustration la plus spectaculaire des impacts sanitaires et environnementaux de la radioactivité. L'explosion du réacteur de Tchernobyl en 1986, en Ukraine (alors composante de l'URSS) a entraîné un rejet massif de radionucléides dans l'atmosphère, contaminant durablement de vastes territoires d'Ukraine, de Biélorussie et de Russie. Le nuage radioactif s'est diffusé sur l'Europe entière, provoquant une élévation temporaire des taux de césium-137 et d'iode-131. Les impacts immédiats se sont traduits par des décès dus au syndrome d'irradiation aiguë parmi les liquidateurs, et à plus long terme par une augmentation significative des cancers de la thyroïde, notamment chez les enfants exposés à l'iode radioactif. Sur l'environnement, la zone d'exclusion demeure aujourd'hui un laboratoire naturel, où la faune et la flore persistent malgré une radioactivité ambiante élevée, offrant un terrain d'étude unique sur la résilience écologique.

En 2011, la catastrophe de Fukushima, au Japon, a rappelé la vulnérabilité des installations face aux risques naturels. Le séisme et le tsunami ont entraîné la fusion partielle de plusieurs réacteurs et le rejet d'importantes quantités de radionucléides dans l'air et l'océan Pacifique. Les conséquences sanitaires directes ont été plus limitées que celles de Tchernobyl grâce à une évacuation rapide, mais les effets psychologiques et sociaux sur les populations déplacées sont considérables. Sur le plan environnemental, la dispersion de césium-137 dans les sols agricoles et dans l'eau a nécessité une vaste campagne de décontamination, et l'impact sur les écosystèmes marins reste suivi de près.

À une échelle plus diffuse, l'exposition au radon constitue aujourd'hui le premier facteur de risque radiologique d'origine naturelle pour les populations. Ce gaz radioactif, issu de la désintégration de l'uranium dans les sols, peut s'accumuler dans les habitations mal ventilées. L'inhalation de ses descendants solides accroît significativement le risque de cancer du poumon, en particulier chez les fumeurs. Dans certaines régions granitiques ou volcaniques, comme le Massif central, mais aussi en Bretagne ou certaines zones d'Amérique du Nord, ce danger invisible fait l'objet de campagnes de mesure et de prévention.

La gestion des déchets radioactifs représente une autre dimension majeure des impacts à long terme. Les déchets de haute activité et à vie longue, issus principalement des combustibles usés des centrales, contiennent des isotopes comme le plutonium-239 ou l'américium-241, dont les demi-vies se comptent en milliers d'années. Leur stockage géologique profond est envisagé comme solution, mais il soulève des interrogations éthiques et pratiques : comment garantir la sûreté sur des temps si longs, comment transmettre la mémoire du danger aux sociétés futures, et comment éviter tout risque de dissémination?

L'environnement terrestre et marin garde aussi la trace des essais nucléaires atmosphériques réalisés entre 1945 et 1980 (Polynésie française, Atoll Johnston). Ces explosions expérimentales ont diffusé du strontium-90 et du césium-137 sur toute la planète, mesurables encore aujourd'hui dans les sols, les glaces et parfois dans les organismes vivants. Ces retombées constituent une archive involontaire de l'ère nucléaire, qui a modifié de façon durable la radioactivité de fond terrestre.