Le radium est un élément intermédiaire crucial dans la chaîne de désintégration de l'uranium-238 (série 4n+2). Il est produit par la désintégration alpha du thorium-230 (ionium) et se désintègre lui-même en radon-222 par émission alpha. Plusieurs isotopes du radium existent dans les différentes chaînes, mais le plus important est le radium-226 (demi-vie 1600 ans), qui est en équilibre séculaire avec l'uranium-238 dans les minéraux anciens. Sa présence et son abondance relative sont donc directement liées à la teneur en uranium du milieu.
Le système isotopique uranium-thorium/radium est utilisé pour dater des processus géologiques sur des échelles de temps allant de quelques années à environ 500 000 ans. Le rapport \(^{226}\mathrm{Ra}/^{230}\mathrm{Th}\) est particulièrement utile pour dater les carbonates marins (coraux, concrétions) et les sédiments océaniques récents. Comme le radium est plus soluble que le thorium, il est lessivé des continents et transporté vers les océans. La mesure de son activité dans les carottes sédimentaires permet de reconstituer les taux de sédimentation et les changements climatiques passés.
Le radium possède quatre isotopes naturels de demi-vies différentes (\(^{223}\mathrm{Ra}\), 11,4 j ; \(^{224}\mathrm{Ra}\), 3,66 j ; \(^{226}\mathrm{Ra}\), 1600 ans ; \(^{228}\mathrm{Ra}\), 5,75 ans). Ce "chapelet" d'isotopes avec des échelles de temps décroissantes en fait un traceur idéal pour les processus à différentes échelles :
Le radium-226 présent dans les sols et les roches est la source directe du radon-222, gaz radioactif qui migre dans les bâtiments. La teneur en radium d'un sol est donc le principal déterminant du potentiel radon d'une région.
Le nom "radium" a été choisi par ses découvreurs, Pierre et Marie Curie, et dérive du mot latin "radius", qui signifie "rayon". Ce nom célèbre la propriété la plus frappante du nouvel élément : son intense radioactivité, qui se manifeste par l'émission de "rayons" invisibles mais détectables. Les Curie avaient déjà nommé le "polonium" ; le "radium" complétait la paire d'éléments radioactifs qu'ils avaient extraits de la pechblende (un minerai d'uranium).
En 1898, poursuivant les travaux d'Henri Becquerel (1852-1903) sur l'uranium, Marie Curie (1867-1934) découvre que la pechblende (un minerai d'uranium) est bien plus radioactive que l'uranium pur. Elle en déduit avec son mari Pierre la présence d'éléments inconnus, plus radioactifs. Après des mois d'un travail titanesque et physiquement éprouvant dans un hangar rudimentaire, ils parviennent à séparer deux nouveaux éléments : d'abord le polonium (juillet 1898), puis le radium (décembre 1898). Ils l'annoncent à l'Académie des Sciences le 26 décembre 1898. La preuve définitive et l'isolement du radium sous forme de chlorure pur (RaCl₂) ne viendront qu'en 1902, après le traitement de plusieurs tonnes de minerai.
Le radium métallique pur fut isolé pour la première fois en 1910 par Marie Curie en collaboration avec André-Louis Debierne (1874-1949), par électrolyse du chlorure de radium fondu sur une cathode de mercure, suivie d'une distillation du mercure. Ce succès consolida la renommée internationale de Marie Curie, qui reçut un deuxième Prix Nobel (de Chimie cette fois) en 1911, devenant la première personne à obtenir deux Nobel dans des disciplines différentes.
Les propriétés extraordinaires du radium – sa radioactivité intense, sa luminescence spontanée (due à l'excitation de l'air ou des impuretés), et sa chaleur de désintégration – en firent une véritable célébrité scientifique et commerciale. On lui attribua des vertus quasi-miraculeuses, donnant lieu à une folie ("craze") :
Cette période illustre le fossé entre la fascination pour une nouvelle technologie et la compréhension de ses dangers.
Le radium n'existe pas à l'état natif. Il est présent en quantités infimes (environ 1 partie pour 10¹¹) dans les minerais d'uranium, principalement la pechblende (UO₂) et la carnotite (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O). Historiquement, les mines les plus riches étaient à Joachimsthal (actuelle République Tchèque) et au Congo belge. L'extraction était extrêmement difficile et coûteuse : il fallait traiter des centaines de tonnes de minerai pour obtenir un gramme de radium, ce qui en fit la substance la plus chère du monde (jusqu'à 120 000 dollars le gramme dans les années 1910, soit plusieurs millions aujourd'hui).
Aujourd'hui, le radium n'est plus produit intentionnellement. Le peu qui est utilisé en médecine provient de stocks historiques ou est produit comme sous-produit du traitement des déchets nucléaires. La demande a quasiment disparu.
Le radium (symbole Ra, numéro atomique 88) est un élément du groupe 2, celui des métaux alcalino-terreux. Il est le membre le plus lourd et le plus radioactif de cette famille, qui comprend le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum. Son atome possède 88 protons et, selon l'isotope, 135 à 150 neutrons. L'isotope le plus stable, \(^{226}\mathrm{Ra}\), a 138 neutrons. Sa configuration électronique est [Rn] 7s², avec deux électrons de valence dans la couche 7s.
Le radium est un métal alcalino-terreux blanc argenté qui noircit rapidement à l'air par oxydation et nitruration. Ses propriétés sont largement extrapolées de celles du baryum, mais compliquées par sa radioactivité intense.
Sous forme solide, il cristallise dans une structure cubique centrée.
Point de fusion estimé : ~973 K (~700 °C).
Point d'ébullition estimé : ~2010 K (~1737 °C).
Chimiquement, le radium ressemble beaucoup au baryum, mais est encore plus réactif. C'est un métal très électropositif.
La chimie du radium est difficile à étudier en raison de sa radioactivité et de la formation de produits de désintégration qui contaminent les solutions.
Numéro atomique : 88.
Groupe : 2 (Alcalino-terreux).
Configuration électronique : [Rn] 7s².
État d'oxydation : +2 (exclusif).
Isotope le plus stable : \(^{226}\mathrm{Ra}\) (T½ = 1600 ans).
Aspect : Métal blanc argenté qui noircit à l'air.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Chaîne parente | Demi-vie / Mode de désintégration | Remarques / Applications |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Radium-223 — \(^{223}\mathrm{Ra}\) | 88 | 135 | 223,018502 u | Uranium-235 (4n+3) | 11,43 jours (α) | Utilisé en médecine sous le nom commercial Xofigo® pour le traitement des métastases osseuses douloureuses du cancer de la prostate (thérapie alpha ciblée). |
| Radium-224 — \(^{224}\mathrm{Ra}\) | 88 | 136 | 224,020212 u | Thorium-232 (4n) | 3,66 jours (α) | Historiquement utilisé en médecine. Aujourd'hui étudié pour la thérapie alpha. |
| Radium-226 — \(^{226}\mathrm{Ra}\) | 88 | 138 | 226,025410 u | Uranium-238 (4n+2) | 1600 ans (α) | L'isotope historique et le plus important. Découvert par les Curie. Utilisé pendant des décennies en curiethérapie et dans les peintures luminescentes. Source du radon-222. |
| Radium-228 — \(^{228}\mathrm{Ra}\) | 88 | 140 | 228,031070 u | Thorium-232 (4n) | 5,75 ans (β⁻) | Mésothorium I. Historiquement utilisé séparément dans les peintures luminescentes. Produit du thorium-228. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le radium possède 88 électrons répartis sur sept couches électroniques. Sa configuration électronique [Rn] 7s² est simple : elle consiste en la configuration du radon (un gaz noble) plus deux électrons supplémentaires dans la couche 7s. Cela peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(8) Q(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 7s².
Couche K (n=1) : 2 électrons (1s²).
Couche L (n=2) : 8 électrons (2s² 2p⁶).
Couche M (n=3) : 18 électrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Couche N (n=4) : 32 électrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
Couche O (n=5) : 18 électrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
Couche P (n=6) : 8 électrons (6s² 6p⁶).
Couche Q (n=7) : 2 électrons (7s²).
Le radium possède deux électrons de valence (7s²). Comme les autres alcalino-terreux, il perd facilement ces deux électrons pour former l'ion Ra²⁺, atteignant ainsi la configuration stable du gaz noble radon. Cette forte électropositivité explique sa grande réactivité avec l'eau et les acides.
Dans les années 1910-20, l'entreprise U.S. Radium Corporation employait des centaines de jeunes femmes pour peindre à la main les cadrans de montres avec de la peinture au radium. Pour obtenir une pointe fine, les ouvrières étaient encouragées à affiner leur pinceau avec les lèvres ("lip-pointing"), ingérant ainsi quotidiennement de petites quantités de radium. De plus, elles travaillaient dans des ateliers poussiéreux et se badigeonnaient parfois les cheveux et les ongles avec la peinture fluorescente pour s'amuser.
Dès le début des années 1920, les ouvrières commencèrent à développer des pathologies horribles : anémie sévère, nécrose de la mâchoire ("radium jaw") (les os de la mâchoire se désintégraient littéralement), fractures spontanées, sarcomes osseux, et cancers divers. Les médecins furent d'abord perplexes, puis le lien avec le radium fut établi par le Dr Harrison Martland (1883-1954). Le radium, une fois ingéré, se comportait comme le calcium et se fixait dans les os, irradiant de l'intérieur la moelle osseuse et les tissus environnants pendant des décennies.
Cinq ouvrières, les "Radium Girls" (dont Grace Fryer, Katherine Schaub), intentèrent un procès retentissant contre leur employeur en 1927. Malgré les manœuvres dilatoires de l'entreprise et l'état de santé dégradé des plaignantes, elles obtinrent gain de cause en 1928. Ce procès :
La toxicité du radium est purement radiologique (contrairement au plomb ou au mercure qui ont une toxicité chimique). Une fois incorporé (principalement par ingestion, rarement par inhalation de poussières), l'ion Ra²⁺ suit le métabolisme du calcium :
L'étude épidémiologique à long terme des ouvrières du radium, des patients traités par le radium, et des horlogers a fourni des données fondamentales sur les effets des rayonnements alpha internes.
Aujourd'hui, la manipulation du radium se fait avec des précautions drastiques :
Les anciennes utilisations industrielles du radium ont laissé un héritage de sites contaminés (anciennes usines de peinture luminescente, ateliers d'horlogerie, dépôts de déchets). La demi-vie longue du Ra-226 (1600 ans) signifie que cette contamination persistera pendant des millénaires.
Les collectionneurs et musées doivent être conscients du risque. Les objets doivent être stockés dans des vitrines ventilées, manipulés avec des gants, et ne jamais être ouverts ou réparés sans expertise. La peinture écaillée est particulièrement dangereuse.
L'ère du radium comme matériau miracle est révolue. Son avenir se situe dans deux domaines très distincts :
Le radium restera dans l'histoire comme l'élément qui a ouvert l'âge de la radioactivité, avec son lot de génie scientifique, d'engouement naïf, et de souffrances humaines qui ont finalement conduit à une réglementation stricte et à une conscience aiguë des risques radiologiques.
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