Isotopes radioactifs et datations Flashcards
Qu’est-ce qu’un isotope?
Les isotopes d’un même élément sont caractérisés par un même nombre de protons et d’électrons, mais un nombre de neutrons différent, leur conférant des masses différentes.
Ces masses différentes vont conférer aux isotopes des comportements physiques et chimiques différents.
Seuls 21 éléments sont composés d’un seul isotope.
qu’est-ce qu’un nucléide?
Nucléide: noyau atomique défini par le nombre de protons et de neutrons qui le constituent.
qu’est-ce que la charte des nucléides?
Carte des protons en fonction des neutrons.
Les nuclides sont répartis suivant une « bande de stabilité ».
Qu’est-ce qu’un atome radioactif (père) et un atome radiogénique (fils)?
un atome radioactif (père) est un nucléide instable qui se transforme spontanément en un autre atome plus stable en émettant un ou plusieurs types de rayonnements (particules ou énergie). Ce processus est appelé désintégration radioactive.
Un atome radiogénique (fils) est le produit stable ou moins instable issu de cette désintégration. Il peut lui-même être radioactif (dans une chaîne de désintégration), ou stable (ce qui met fin à la chaîne).
Quels sont les 3 mode de filiations et à quoi servent-ils?
Les modes de filiation des atomes radioactifs vers des atomes radiogéniques (ou atomes fils) sont essentiels pour comprendre la datation des roches et des minéraux.
Les trois modes de filiation radioactive les plus courants sont :
Mode 1 : Filiation directe (simple)
P* → F stable
Le noyau père instable se transforme directement en un noyau fils stable, en une seule étape de désintégration. Ce cas est fréquent pour des isotopes qui n'ont qu'un seul produit stable.
📌 Exemples :
⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr (désintégration β⁻) ¹⁴C → ¹⁴N (désintégration β⁻) ¹⁴⁷Sm → ¹⁴³Nd
✔️ Utilisé en datation : méthode Rubidium-Strontium, Carbone 14, Samarium-Néodyme.
🔹 Mode 2 : Filiation avec embranchement (bifurcation)
P* → F₁ stable ou F₂ stable
L’atome père a deux voies possibles de désintégration, chacune menant à un produit fils différent mais stable. Le choix du chemin dépend des conditions physiques, comme la pression ou la structure électronique.
📌 Exemple classique :
⁴⁰K → ⁴⁰Ar (par capture électronique ou émission β⁺) ⁴⁰K → ⁴⁰Ca (par émission β⁻)
✔️ Utilisé en datation potassium-argon (K/Ar) et argon-argon (⁴⁰Ar/³⁹Ar).
🔹 Mode 3 : Chaîne de désintégration
P* → F₁* → F₂* → … → Fn* → F stable
L’atome père se transforme en une série d’éléments instables successifs, jusqu’à ce qu’on atteigne un élément stable. Chaque étape implique une désintégration (α ou β), parfois sur des millions d'années.
📌 Exemples célèbres :
²³⁸U → ²⁰⁶Pb ²³⁵U → ²⁰⁷Pb ²³²Th → ²⁰⁸Pb
✔️ Utilisé en géochronologie (datation U-Pb), très précis pour les roches anciennes.
qu’est-ce qu’une La chaîne de désintégration radioactive?
Les chaînes de désintégration radioactive sont au nombre de 3: ce sont des ensembles de nucléides qui dérivent les uns des autres par désintégration radioactive.
À l’origine de la chaîne de désintégration se trouve un élément à longue période : 238U, 235U et 232Th.
À la fin de la chaîne de désintégration se trouve un élément stable : 206Pb, 207Pb et 208Pb, respectivement.
résumé et application des 3 modes de filiation:
Résumé et Applications
Mode 1: Datation directe et linéaire, utilisée pour des âges relativement récents ou des minéraux contenant des éléments traces.
Mode 2: Adapté aux systèmes où le produit radiogénique est un gaz (comme l’Argon), souvent utilisé en géochronologie des roches volcaniques.
Mode 3: Utilisé pour les datations très anciennes et précises, notamment pour les minéraux zircons dans les roches magmatique
Qu’est-ce que la désintégration alpha (α)?
- Désintégration alpha (α)
Un noyau instable perd un “gros morceau”, appelé particule alpha, qui est formée de 2 protons + 2 neutrons (comme un noyau d’hélium).
👉 Résultat :
Le noyau devient plus léger. Le numéro atomique diminue de 2, le nombre de masse de 4. Il change donc d'identité (nouvel élément).
📌 Exemple :
⁹²U²³⁸ → ⁹⁰Th²³⁴ + α
Qu’est-ce que la Désintégration bêta (β)?
- Désintégration bêta (β)
Il en existe deux types principaux :
a) Bêta moins (β⁻)
Un neutron du noyau se transforme en proton : il émet un électron (β⁻) et un antineutrino.
👉 Résultat :
Le numéro atomique augmente de 1, donc l’élément change. Le nombre de masse reste presque identique.
📌 Exemple :
¹⁴C → ¹⁴N + β⁻
b) Bêta plus (β⁺)
Un proton se transforme en neutron : il émet un positon (β⁺) et un neutrino.
👉 Résultat :
Le numéro atomique diminue de 1.
📌 Exemple :
¹¹C → ¹¹B + β⁺
Qu’est-ce que la Désintégration gamma (γ)?
- Désintégration gamma (γ)
Ce n’est pas une particule, mais une émission d’énergie (rayon électromagnétique).
Elle survient après une désintégration alpha ou bêta, quand le noyau est encore excité.
👉 Résultat :
Le noyau reste le même élément, mais perd de l’énergie. Aucun changement dans le nombre de protons ou neutrons.
📌 Exemple :
Un noyau de cobalt peut émettre un rayon gamma sans changer de composition :
⁶⁰Co* → ⁶⁰Co + γ
Donc, résumé, qui est émis et qu’est-ce que ça change selon le rayonnement alpha, beta, beta + et gamma?
Alpha (α)
Ce qui est émit: 2 protons + 2 neutrons
Ce que ça change: Élément + plus léger
Bêta⁻ (β⁻)
Ce qui est émit: 1 électron
Ce que ça change: Élément suivant (+1 Z)
Bêta⁺ (β⁺)
Ce qui est émit: 1 positon
Ce que ça change: Élément précédent (−1 Z)
Gamma (γ)
Ce qui est émit: Énergie (rayonnement) Ce que ça change: Rien sauf l’énergie du noyau
quels sont les autres types de radioactivité? (2)
- Capture électronique ou désintégration e
- Un e+ de la couche électronique la plus interne est capturé par le
noyau.
- A ne change pas, Z diminue d’une unité - Fission spontanée
- Un nucléide de grosse taille se casse spontanément, sans apport
d’énergie extérieure, en produisant 2 nucléides tels que : A=A’+A’
Quels sont les pouvoirs traversants des rayons alpha, beta et gamma?
- Rayons alpha (α)
- Très peu pénétrants
- Arrêtés par : une feuille de papier, la peau, ou même quelques centimètres d’air.
- Dangereux seulement si inhalés ou ingérés, car à l’intérieur du corps, ils causent beaucoup de dégâts localisés.
- Rayons bêta (β)
- Pénétration moyenne
- Arrêtés par : quelques millimètres d’aluminium, verre, ou plastique épais.
- Peuvent traverser la peau et causer des brûlures, mais sont moins dangereux à distance.
- Exemple : un rayon bêta est stoppé par une plaque d’aluminium.
- Rayons gamma (γ)
- Très pénétrants (ce sont des ondes électromagnétiques)
- Nécessitent plusieurs centimètres de plomb ou plusieurs mètres de béton pour les arrêter.
- Peuvent traverser le corps humain — c’est pour cela qu’ils sont utilisés en médecine (radiographie, radiothérapie).
donne les définitions de isotope radioactif, isotope radiogénique, isotope père, isotope fils, rapport isotopique
- isotope radioactif :
Un atome instable qui se désintègre en émettant des rayonnements (α, β, γ). - Isotope radiogénique :
Un atome stable formé à la suite de la désintégration d’un isotope radioactif. - Isotope père :
L’atome radioactif de départ, qui se désintègre (ex. : ¹⁴C, ²³⁸U). - Isotope fils :
L’atome produit après la désintégration (peut être stable ou instable). - Rapport isotopique :
Le rapport entre deux isotopes d’un même élément, souvent utilisé pour dater un matériau ou suivre un processus chimique (ex. : ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr).
Nomme et explique la loi fondamentale de la radioactivité
plus il y a d’atomes radioactifs (N), plus il y a de désintégrations par unité de temps
Formule: dN/dt = -γN
ou:
N : nombre d’atomes radioactifs restant à un instant donné.
dN/dt : vitesse de désintégration (combien d’atomes disparaissent par unité de temps).
γ (gamma) : constante de désintégration (spécifique à chaque isotope). (-y, Parce que le nombre d’atomes diminue avec le temps (c’est une décroissance).
Elle mesure la probabilité qu’un atome se désintègre par seconde, jour ou année.
Elle ne dépend pas de la température ou de la pression.
qu’est-ce qu’une courbe de décroissance radioactive?
Une courbe de décroissance radioactive montre comment le nombre d’atomes radioactifs diminue avec le temps.
Elle a une forme exponentielle, car la désintégration est plus rapide au début, puis ralentit progressivement.
Elle permet de visualiser la perte des atomes père et d’estimer la demi-vie d’un isotope.
qu’est-ce que la Période de ½ vie et quelle est sa formule?
La période de ½ vie (ou demi-vie) est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs d’un échantillon se désintègrent.
Après une demi-vie :
N(t1/2)=N(t0)/2
Elle est caractéristique de chaque isotope et ne dépend pas des conditions extérieures (température, pression, etc.).
Comment fonctionne la méthode de datation Rb-Sr dans les roches ?
La méthode de datation Rb–Sr repose sur la désintégration radioactive du ⁸⁷Rb (rubidium) en ⁸⁷Sr (strontium).
Au moment de la cristallisation d’une roche, les minéraux incorporent du Rb⁺ et du Sr²⁺ en tant qu’impuretés. Avec le temps, ⁸⁷Rb se désintègre en ⁸⁷Sr selon une loi exponentielle. En mesurant la quantité actuelle de ⁸⁷Rb et le rapport isotopique ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr dans plusieurs minéraux d’une même roche, on peut déterminer l’âge de cristallisation de la roche à l’aide de l’équation de l’isochrone.
Pourquoi utilise-t-on le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr dans cette méthode ? Quelle est l’utilité de l’isotope ⁸⁶Sr ?
⁸⁶Sr est un isotope stable et non radiogénique du strontium, ce qui signifie qu’il ne provient pas de la désintégration radioactive.
Lors de la formation d’une roche, tous les minéraux incorporent du strontium avec la même proportion initiale de ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Cela permet d’utiliser ce rapport comme point de référence stable.
En comparant les variations du rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr dans différents minéraux et leur teneur en ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr, on peut tracer une droite isochrone dont la pente donne directement l’âge de la roche.
Quelle est l’équation de désintégration radioactive appliquée au système Rb–Sr ? Et que signifient les termes ?
L’équation de base est :
N(t)=P0(1−e−λt)
où :
N(t) : quantité d’⁸⁷Sr radiogénique formée à l’instant t, P₀ : quantité initiale de ⁸⁷Rb, λ : constante de désintégration du ⁸⁷Rb, t : le temps écoulé depuis la cristallisation.
Puisqu’on ne connaît pas P₀, on réécrit souvent cette équation sous forme de rapport isotopique avec ⁸⁶Sr pour utiliser la droite isochrone. Cela permet d’éviter l’incertitude sur les quantités initiales.
Qu’est-ce qu’une droite isochrone et pourquoi est-elle essentielle dans la méthode Rb–Sr ?
La droite isochrone est une droite obtenue en traçant le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr en fonction du rapport ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr pour plusieurs minéraux d’une même roche.
Elle permet de déterminer l’âge de cristallisation de la roche sans avoir besoin de connaître les quantités initiales de ⁸⁷Sr et ⁸⁷Rb.
La pente de la droite correspond à :
eλt−1
Donc, en connaissant λ (constant pour ⁸⁷Rb), on peut calculer t, c’est-à-dire l’âge de la roche.
En quoi le système Rb–Sr peut-il aussi être utilisé pour tracer une origine ou une source géologique ?
Le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr est un traceur géochimique utile, car il varie selon les roches et les réservoirs terrestres (croûte, manteau, océans, etc.).
Même sans faire de datation, on peut comparer les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr dans différents échantillons (roches, eaux, fossiles…) pour déterminer s’ils proviennent d’une même source ou non.
Comme ⁸⁷Sr augmente avec le temps à cause de la désintégration du ⁸⁷Rb, un rapport plus élevé indique une vieille source riche en Rb, alors qu’un rapport plus bas reflète une source jeune ou pauvre en Rb.
Qu’est-ce que la technique des isochrones et comment permet-elle de déterminer l’âge d’une roche ?
La technique des isochrones consiste à tracer une droite entre plusieurs échantillons d’une même roche, en comparant leurs rapports isotopiques ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (axe y) et ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr (axe x).
Si les minéraux ont tous cristallisé en même temps et ont évolué en système clos, leurs points formeront une droite isochrone.
La pente de cette droite est égale à (e^λt − 1), ce qui permet de calculer l’âge t à l’aide de la formule :
t=ln(a+1)λ
t=λln(a+1)
où a est la pente.
Cette méthode évite d’avoir à connaître les quantités initiales de ⁸⁷Sr.
Qu’est-ce que le rapport (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀ et pourquoi est-il important dans la datation Rb–Sr ?
Le rapport (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀ représente la valeur initiale du rapport isotopique au moment de la cristallisation de la roche.
Il est important car il sert de point d’interception sur l’axe y de l’isochrone.
Tous les minéraux d’une même roche incorporent la même quantité initiale de ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ce qui rend le rapport constant entre les échantillons, et permet de tracer une droite.
Si ce rapport initial varie entre les échantillons, cela signifie que le système n’est pas fiable pour la datation (ex. : contamination ou système non clos).
Qu’est-ce que la température de fermeture d’un minéral, et en quoi elle influence la datation ?
La température de fermeture (T°f) est la température en dessous de laquelle un minéral cesse d’échanger des éléments chimiques avec son environnement (magma, fluide, autres minéraux).
En d’autres mots, c’est le moment où l’horloge radiométrique se met en marche.
Si la roche reste au-dessus de T°f, les isotopes peuvent encore entrer ou sortir du minéral. Quand elle passe en dessous, le système devient clos, et la désintégration radioactive commence à enregistrer le temps.
📌 L’âge mesuré correspond donc à l’âge de fermeture du système, pas nécessairement l’âge de formation du magma.
Quelles sont les conditions nécessaires pour qu’une droite soit une vraie isochrone, et non une erreurchrone ?
Pour qu’une droite soit une isochrone, trois conditions doivent être réunies :
Tous les échantillons ont le même âge. Ils partagent le même rapport initial (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀. Ils se sont comportés comme un système clos vis-à-vis du ⁸⁷Rb et du ⁸⁷Sr depuis leur cristallisation.
Si une seule de ces conditions est violée (ex. : altération, perte ou apport d’éléments), les points ne formeront pas une droite colinéaire, et on parlera alors d’erreurchrone.
Une erreurchrone indique que le système a été perturbé.
Comment la géochimie du strontium permet-elle de tracer l’origine de roches magmatiques à l’échelle planétaire ?
Le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr varie selon les réservoirs géologiques et leur histoire. Par exemple :
MORB (rides médio-océaniques) ≈ 0.7025 OIB (point chaud) > 0.704 Roches continentales ≈ 0.7119 Météorites (composition primitive) ≈ 0.699
Ces différences viennent du temps écoulé et de la teneur en rubidium, car plus un réservoir est vieux et riche en ⁸⁷Rb, plus son rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr est élevé.
Ce rapport sert donc à reconnaître l’origine des magmas et à retracer des mélanges ou contaminations crustales.
Pourquoi dit-on que ⁸⁷Rb “préférait” le magma, et quelles en sont les conséquences sur la géochimie du Sr ?
Le ⁸⁷Rb est un élément incompatible, ce qui signifie qu’il a tendance à rester dans le liquide magmatique plutôt que de cristalliser.
Il remplace souvent K⁺, qui fond à basse température, ce qui explique sa concentration dans les roches fémiques et tardives.
Par contraste, Sr²⁺, qui remplace le Ca²⁺, est compatible et intègre facilement les minéraux calciques comme le plagioclase.
Ainsi, plus un magma évolue, plus il devient riche en Rb et pauvre en Sr, ce qui modifie le rapport ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr. Avec le temps, cela augmente aussi le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ce qui est utilisé pour tracer l’évolution géochimique des magmas.
