Nucléide primordial

Selon la théorie de l'évolution des étoiles, tous les éléments sauf l'hydrogène[alpha 1] se sont formés par nucléosynthèse, soit dans les instants suivant le Big Bang (nucléosynthèse primordiale), soit au sein des étoiles (nucléosynthèse stellaire). Les isotopes stables sont demeurés en l'état et on les retrouve tous sur Terre. Les isotopes dont la radioactivité a été décelée, ou radioisotopes, se désintègrent, mais il en reste encore sur Terre en quantités appréciables si leur demi-vie est suffisamment grande (de l'ordre de 100 millions d'années).

On trouve aussi sur Terre des radioisotopes de demi-vies plus courtes, mais ces nucléides ne sont pas primordiaux, ils sont soit présents dans les chaînes de désintégration des radioisotopes primordiaux (comme le radon 222, descendant de l'uranium 238 primordial), soit produits sur Terre par spallation cosmique (comme le carbone 14, produit par spallation de l'azote 14 atmosphérique) ou plus rarement par des transmutations nucléaire dans certains minerais. Il y a ainsi plus d'une cinquantaine de nucléides radioactifs non-primordiaux (dont 24 isotopes cosmogéniques) sur le total d'environ 340 nucléides que l'on trouve naturellement sur Terre. Il est difficile d'être précis : certains de ces nucléides sont supposés présents, mais jamais retrouvé de manière quantifiable dans l'environnement (trop peu abondants, en général en raison d'une demi-vie très courte).

Les radioisotopes qui étaient présents lors de la formation de la Terre, mais qui se sont désintégrés depuis et ne se trouvent donc plus dans le milieu naturel, forment le groupe des radioactivités éteintes. La limite entre radioactivité éteinte et isotope primordial est délicate à déterminer, le plutonium 244 se trouvant par exemple sur cette limite : il a une demi-vie d'environ 80 millions d'années, il s'est écoulé environ 56 demi-vies de cet isotope depuis la formation de la Terre il y a 4,6 milliards d'années. La quantité initiale de ce nucléide a donc diminué d'un facteur 2⁵⁶ (≈ 10¹⁷) depuis la formation de la Terre. On classe généralement le plutonium 244 parmi les isotopes primordiaux depuis sa détection dans le milieu naturel dans les années 1970[1], mais des études plus récentes[2] (2012) ont remis en question sa présence dans le milieu naturel en tant qu'isotope primordial, ce serait donc plutôt une radioactivité éteinte. S'il est présent sur Terre en tant qu'isotope primordial, il est probablement le plus rare de ceux-ci, avec une concentration inférieure à quelques centaines d'atomes par gramme de minerai. À sa rareté s'ajoute le fait de distinguer plutonium primordial, plutonium d'origine météoritique, et surtout plutonium d'origine humaine, car il fait partie du cycle du nucléaire et il a pu contaminer l'environnement (soit à la suite des catastrophes de Tchernobyl et de Fukushima, soit à la suite de tous les essais nucléaires ayant eu lieu à l'air libre).

Parmi les isotopes "à la limite", le samarium 146 n'a pas encore été détecté dans la nature, mais il a une demi-vie plus grande que celle du plutonium 244 (103 millions d'années) ; si on peut quantifier le ²⁴⁴Pu primordial, il est probable que les progrès de la chimie analytique permettent de trouver du ¹⁴⁶Sm. Pour cette raison, il est déjà classé parmi les nucléides primordiaux.