Constante de désintégration

La constante de désintégration (ou constante radioactive) d'un radioisotope est le rapport entre l'activité d'un échantillon et le nombre d'atomes du radioisotope présents dans l'échantillon :

$\lambda =\frac{A}{N}$.

Ce rapport est caractéristique de chaque radioisotope, et ne dépend en général d'aucun autre paramètre (composition chimique, état physique, température, pressionModèle:Etc.) sauf marginalement dans certains cas. L'activité Modèle:Mvar étant le nombre de désintégrations par unité de temps et Modèle:Mvar le nombre d'atomes, la constante de désintégration se mesure en inverses d'unité de temps, très généralement en sModèle:Exp.

Interprétation probabiliste

La probabilité qu'un noyau radioactif se désintègre ne dépend de rien d'autre que du temps qui passe. La probabilité Modèle:Math pour qu'un noyau présent à l'instant Modèle:Mvar ait disparu à l'instant Modèle:Nobr, où Modèle:Math désigne une durée infinitésimale, est proportionnelle à Modèle:Math. La constante de désintégration n'est autre que la constante de proportionnalité :

$\mathrm{d}P=\lambda \mathrm{d}t$.

Le nombre Modèle:Mvar de noyaux présents dans un échantillon macroscopique étant toujours extrêmement grand, le nombre de ces noyaux qui disparaissent pendant la durée Modèle:Math est égal à Modèle:Nobr, or c'est aussi Modèle:Nobr d'après la définition de l'activité : on retrouve la relation Modèle:Nobr.

Variabilité de la constante de désintégration

En première approximation, la constante de désintégration est une constante propre à l'isotope ; c'est d'ailleurs en observant ce fait qu'Henri Becquerel a compris que la radioactivité était un phénomène atomique et non pas chimique. Il existe cependant des phénomènes affectant légèrement la valeur de la constante.

Sous l'effet de la composition chimique

Exemples

• Le béryllium 7 est radioactif ; la variation relative de sa constante de désintégration selon qu'il est seul ou lié dans une molécule de Modèle:Formule chimique est de l'ordre de Modèle:Unité. Cela est dû au fait que le fluor, très électronégatif attire les électrons superficiels du béryllium et modifie ainsi grandement le champ électrique au sein du noyau.

Sous l'effet de la pression

La constante radioactive varie faiblement mais approximativement linéairement avec la pression. Modèle:Quoi. Ce phénomène a été utilisé pour estimer des pressions élevées.

Autres

• Un atome entièrement ionisé peut voir sa constante de désintégration fortement modifiée, l'ionisation pouvant favoriser des modes de désintégration. Par exemple la demi-vie du rhénium 187 entièrement ionisé est de Modèle:Unité contre Modèle:Nobr d'années pour l'atome neutre, et celle du dysprosium 163 entièrement ionisé de Modèle:Unité alors que l'atome neutre est observé stable.
• Un neutron présent dans un noyau atomique peut être beaucoup plus stable qu'un neutron libre, lequel est radioactif avec une demi-vie d'une quinzaine de minutes.

Relation avec la période radioactive

Modèle:Article détaillé L'activité étant définie par $A=-\mathrm{d}N/\mathrm{d}t$ où t désigne le temps, la constante de désintégration vérifie la relation $\mathrm{d}N/\mathrm{d}t=-\lambda N$, d'où l'on déduit la loi de décroissance radioactive $N=N_0{e}^{-\lambda t}$ où NModèle:Ind désigne le nombre d'atomes initialement présents (c.-à-d., présents à l'instant Modèle:Nobr). D'après la définition de la période radioactive (ou demi-vie) T, temps au bout duquel $N=N_0/2$, on voit que :

$\lambda =\frac{\ln 2}{T}$.

Dans cette formule le numérateur est une constante mathématique valant environ 0,693147 (sans dimension).

Cas particulier des isotopes ayant plusieurs modes de désintégration

Certains isotopes font concurremment l'objet de plusieurs (deux, le plus souvent) modes de désintégration radioactive différents. Le potassium 40, par exemple, peut se transformer en calcium 40 par [[Radioactivité β#Désintégration β−|désintégration βModèle:Exp]] et en argon 40 par capture électronique. Chaque mode de désintégration est alors caractérisé par une constante de désintégration propre, qu'on peut définir à partir du taux de production des isotopes-fils.

Si un radioisotope P peut se transformer en l'isotope FModèle:Ind par un premier mode de désintégration et en l'isotope FModèle:Ind par un second, les taux de production des isotopes-fils sont tous deux proportionnels au nombre d'atomes du père : $\mathrm{d}{N}_{{\mathrm{F}}_1}/\mathrm{d}t={\lambda }_1{N}_{\mathrm{P}}$ et $\mathrm{d}{N}_{{\mathrm{F}}_2}/\mathrm{d}t={\lambda }_2{N}_{\mathrm{P}}$, où $N_{\mathrm{P}}$, $N_{{\mathrm{F}}_1}$ et $N_{{\mathrm{F}}_2}$ désignent les nombres d'atomes du père et des deux fils. Les constantes radioactives des deux modes de désintégration sont respectivement λModèle:Sub et λModèle:Sub. La somme des deux taux de production est égale au taux de destruction du père :

$\frac{\mathrm{d}{N}_{{\mathrm{F}}_1}}{\mathrm{d}t}+\frac{\mathrm{d}{N}_{{\mathrm{F}}_2}}{\mathrm{d}t}=-\frac{\mathrm{d}{N}_{\mathrm{P}}}{\mathrm{d}t}$,

d'où l'on déduit aisément que les constantes radioactives s'ajoutent :

$\lambda ={\lambda }_1+{\lambda }_2$.

Ce résultat est cohérent avec l'interprétation probabiliste : la désintégration selon un mode et la désintégration selon un autre mode sont deux processus aléatoires indépendants l'un de l'autre, la probabilité pour qu'un noyau se désintègre par l'un ou l'autre de ces processus est la somme des deux probabilités.