Vision numérique./Vision numérique/Getty Images
Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de quarks. Chaque élément a un nombre de protons fixe, mais les isotopes diffèrent par le nombre de neutrons. Lorsqu'un noyau peut atteindre une configuration d'énergie inférieure, il peut se transformer en un élément différent.
La mécanique quantique nous dit qu’un noyau instable finira par perdre de l’énergie, mais elle ne peut pas prédire le moment exact de la désintégration d’un seul atome. Au lieu de cela, il fournit une demi-vie :la durée moyenne pendant laquelle un grand groupe de noyaux identiques se désintégrera. Les trois premiers modes de désintégration identifiés (alpha, bêta et gamma) constituent l'épine dorsale de la désintégration radioactive.
La désintégration alpha éjecte un noyau d'hélium (deux protons et deux neutrons). Par exemple, l’uranium‑238 (92p+146n) émet une particule alpha pour devenir du thorium‑234 (90p+144n). La désintégration bêta convertit un neutron en proton, émettant un électron et un antineutrino. Le carbone‑14 (6p+8n) subit une désintégration bêta en azote‑14 (7p+7n).
Après une émission alpha ou bêta, le noyau fille reste souvent dans un état excité. Pour atteindre son état fondamental, le noyau libère le surplus d’énergie sous forme de rayon gamma, un photon électromagnétique dont la fréquence est bien supérieure à celle de la lumière visible. Les rayons gamma se déplacent à la vitesse de la lumière et ne transportent que de l'énergie, sans charge ni masse. Un cas classique est celui du cobalt-60, qui se désintègre en bêta-60 puis émet deux photons gamma lorsqu'il se stabilise à son niveau d'énergie le plus bas.
La plupart des noyaux excités émettent des rayons gamma presque instantanément, mais certains sont « métastables », retenant l’énergie excédentaire pendant des durées allant de quelques fractions de seconde à plusieurs années – lorsqu’un changement dans le spin nucléaire bloque l’émission gamma immédiate. Lorsqu'un électron environnant absorbe un photon gamma, l'électron peut être éjecté de son orbite par effet photoélectrique, illustrant le lien intime entre les processus nucléaires et atomiques.
