La radioactivité est l'expression d'un processus naturel qui joue un rôle essentiel dans l'évolution de l'Univers.

La radioactivité est l'expression d'un processus naturel qui joue un rôle essentiel dans l'évolution de l'Univers. Elle a toujours existé sur la Terre et a irradié les êtres vivants depuis l'origine de la vie. Découverte il y a moins d'un siècle, manipulée par les hommes depuis un demi-siècle, elle est aujourd'hui associée à des idées de catastrophes. Le préjugé fait oublier quelle contribution fondamentale elle a eue et continue d'avoir dans le développement des connaissances en physique, médecine et biologie. La radioactivité est due à des transmutations spontanées que subissent les noyaux atomiques de certains éléments ; elle se manifeste par l'émission de différentes sortes de rayonnements. Radioactivité naturelle et radioactivité artificielle La radioactivité naturelle fut découverte en 1896 par Henri Becquerel. Elle est essentiellement due à des radionucléides dont la période, très longue, est au moins de l'ordre de l'âge de la Terre (4,6 milliards d'années), sinon ils auraient disparu. Les nucléides sont des espèces atomiques caractérisées par le nombre de protons et de neutrons de leurs noyaux ; leur concentration dans la croûte terrestre est faible et se chiffre en ppm (partie par million). Ce sont cependant des sources permanentes d'énergie qui entrent dans le bilan géothermique du globe terrestre. D'autres nucléides sont formés en permanence par l'interaction du rayonnement cosmique avec l'atmosphère et la croûte terrestre. Ils peuvent donc exister avec de courtes périodes par rapport à l'âge de la Terre. Le carbone 14, dont la décroissance est utilisée pour dater les matériaux anciens, en est l'exemple principal. La radioactivité artificielle, c'est-à-dire l'émission d'un rayonnement par un élément produit artificiellement, a été découverte en 1936 par Irène et Frédéric Joliot-Curie. Un noyau d'aluminium bombardé par les rayons a émis par une source de polonium se transforme en noyau de phosphore. Ce phénomène se nomme transmutation. Le phosphore ainsi formé est instable et se désintègre par émission b+ : c'est le phénomène de radioactivité artificielle. Des transmutations sont maintenant effectuées à l'aide d'accélérateurs de particules. Ceux-ci ont permis la fabrication d'éléments qui n'existent pas dans la nature, en particulier des noyaux lourds (les transuraniens) de très courte période radioactive. Voir le dossier accélérateur de particules. Une source de rayonnement est caractérisée par son activité, c'est-à-dire par le nombre de noyaux, présents dans la source, qui se désintègrent par seconde. Elle s'exprime en becquerels (Bq) ; 1 Bq est égal à une désintégration par seconde. Cette unité a remplacé le curie (Ci), qui est égal au nombre de désintégrations qui se produisent par seconde dans 1 g de radium 226 (37 milliards de Bq). L'activité moyenne de l'eau de mer est de 10 000 Bq par m3 et celle du lait est de 60 Bq par litre. La période radioactive, ou demi-vie, est une caractéristique propre à un radioélément. C'est le temps nécessaire pour que la moitié des radioéléments initialement présents dans une source se désintègrent. La période radioactive est extrêmement variable : par exemple un dix-millième de seconde pour le polonium 214Po, 110 minutes pour l'argon 41A, 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238U. Les unités d'énergie macroscopiques, tel le joule, ne sont pas adaptées pour les particules élémentaires. L'unité d'énergie conçue pour les rayonnements est l'électron-volt (1 eV = 1,6 .10 -19 joule). C'est l'énergie qu'acquiert un électron accéléré par une tension de 1 V. Nous parlerons donc de kiloélectronvolts (Kev) et de mégaélectronvolts (MeV). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats accélérateur de particules - Utilisations des accélérateurs activité - 3.PHYSIQUE atome - Le noyau becquerel Becquerel - Becquerel Henri bêta (rayons) carbone 14 curie désintégration électronvolt élément - 1.CHIMIE énergie - L'origine de l'énergie sur la Terre - Introduction Joliot-Curie joule MeV nucléaire (physique) physique - La physique au XXe siècle - Les grands bouleversements : quanta et relativité polonium radioélément radium transmutation transuranien uranium Les livres Joliot-Curie, page 2696, volume 5 radioactivité - le radium des Curie, page 4216, volume 8 La structure du noyau Les noyaux des éléments simples sont constitués de nucléons (leur nombre A est appelé nombre de masse) : les protons de charge positive et les neutrons électriquement neutres. Les propriétés chimiques et le nom d'un élément sont liés à son nombre de protons Z (appelé numéro atomique), égal au nombre d'électrons qui gravitent autour du noyau. Il existe des noyaux correspondant au même élément, mais qui ne possèdent pas le même nombre de neutrons : ce sont les isotopes. Le potassium (Z = 20) existe dans la nature sous trois formes différentes : 39K (A = 39), isotope stable, 93,08 % ; 40K (A = 40), radionucléide, 0,012 % ; 41K (A = 41), isotope stable, 6,91 %. L'instabilité des noyaux résulte d'un excès de neutrons, d'un excès de protons ou des deux à la fois, dans le cas d'un noyau lourd. Chaque type d'instabilité du noyau correspond à un type de désintégration : un excès de neutrons provoque une émission b- ; un excès de protons provoque une émission b+ ou une capture électronique ; la désintégration d'un atome trop lourd provoque une émission a. Ces différents types de désintégration sont spontanés et leur probabilité de désexcitation est connue. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alpha (particule) atome - Le noyau atome - Un long parcours scientifique bêta (rayons) désintégration élément - 1.CHIMIE isotope neutron nucléon potassium proton stabilité Les émissions du rayonnement nucléaire La transformation d'un nucléon du noyau s'accompagne d'émissions b- (bêta moins), b+ et de la capture électronique (capture K). Celles-ci sont caractérisées par un changement du numéro atomique Z sans modification du nombre de masse A. Le rayonnement b- e st formé d'électrons. Il est émis lors de la désintégration d'un noyau instable, contenant un trop grand nombre de neutrons. Un neutron n se transforme alors en un proton p suivant la réaction n ® p + e - + $, au cours de laquelle un électron e - et un antineutrino $ (particule de masse négligeable et de charge nulle) sont éjectés du noyau. L'énergie ainsi libérée se répartit de manière aléatoire entre l'électron et le neutrino : le spectre d'émission b- est continu. Lorsqu'un noyau est instable par excès de protons, un phénomène inverse du précédent se produit. Pour transformer un proton en neutron, le noyau peut créer un électron positif (émission b+) ou absorber un électron négatif (capture K). L'émission b+ résulte de la transformation d'un proton en neutron suivant la réaction : p ® n + b+ + $, où p est le proton, n le neutron, b+ et $ sont respectivement un électron positif (positron) et un neutrino éjectés du noyau. Cette transformation est immédiatement suivie d'une autre réaction b+ + e - ® 2 (, au cours de laquelle le positron, particule instable, s'annihile avec un électron en émettant deux radiations a. Le phénomène de capture électronique (capture K) est l'absorption par le noyau d'un électron appartenant à la couche la plus profonde (couche K) du cortège électronique. Ce phénomène se décrit par l'équation : p + e - ® n + $, où e - représente l'électron capturé par le noyau atomique. Dans ce cas, seul un neutrino, non observable, est éjecté du noyau. Cette réaction est signalée par un réarrangement du cortège électronique au cours duquel des rayons X et des électrons (effet Auger) peuvent être émis. La désintégration a (alpha) ne se produit que pour des noyaux lourds (Z > 82), contenant un nombre important de neutrons et de protons. Par exemple, le radium, 22688Ra (Z = 88, A = 226), se transmute en radon, 22286Rn, en émettant une particule a, 42He, suivant la réaction Ra ® Rn + He. Le noyau de radon ainsi formé possède quatre nucléons, dont deux protons, de moins que le noyau initial. Pour un isotope donné, tous les rayons a ont la même énergie ou sont au plus répartis en quelques groupes monoénergétiques ; l'émission a donne lieu à des spectres de raies dont les énergies sont généralement comprises entre 4 et 9 MeV. Lorsqu'un noyau stable a reçu une particule, ou lorsqu'il a été formé lors d'une transmutation, il se trouve dans un niveau d'énergie élevé et instable. Son retour vers un état d'énergie stable s'effectue en émettant un ou plusieurs rayonnements (. Ceux-ci sont des quanta de rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire des photons se déplaçant à la vitesse de la lumière. Comme pour les atomes, l'énergie de ces rayonnements est égale à la différence entre l'énergie de l'état excité et celle de l'état stable. Cependant, cette énergie est beaucoup plus grande que celle des rayons X. Par suite, ces rayons pénètrent beaucoup plus profondément dans la matière. Dans certains cas, les noyaux se désexcitent sans émission de rayonnements (. L'énergie est alors directement transférée à un électron du cortège électronique. Ce processus, appelé conversion interne, entraîne l'éjection de l'électron du cortège avec une énergie cinétique égale à la différence entre l'énergie reçue par l'électron et l'énergie qui le lie au noyau. Les noyaux des éléments lourds (Z > 90) ont une probabilité mesurable de subir spontanément une fission. Lors de ce processus, un noyau de nombre de masse A et de nombre de charges Z se scinde en deux fragments plus légers et plus stables. La fission s'accompagne en général d'une émission de neutrons. Les énergies des rayonnements corpusculaires émis lors de ces différents types de désintégration sont déterminées par le bilan énergétique des phénomènes intranucléaires qui leur ont donné naissance. Les particules émises vont ensuite perdre leur énergie cinétique dans la matière qu'elles traversent suivant les processus décrits plus bas. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alpha (particule) bêta (rayons) couche électronique électron émission fission gamma (rayons) neutrino neutron niveau d'énergie nucléaire (physique) nucléon photon positron proton quanta (théorie des) radiation radium radon rayonnement - Le rayonnement électromagnétique - Les rayons gamma rayons X spectre spectromètre ß transmutation Les livres radioactivité - les trois types de rayonnement, page 4217, volume 8 radioactivité - différents processus radioactifs, page 4217, volume 8 radioactivité - la famille radioactive de l'uranium 238, page 4218, volume 8 La perte d'énergie dans la matière Les particules électriquement chargées (a, électrons) perdent leur énergie dans la matière en raison du champ électrique qui les entoure. Elles sont en quelque sorte freinées par les nuages d'électrons qui gravitent autour des noyaux. La distance au bout de laquelle une particule s'arrête dans la matière est d'autant plus grande que son énergie et sa masse sont importantes et que la densité du milieu dans lequel elle perd son énergie est faible. Un rayonnement a (alpha) d'énergie 8,77 MeV est stoppé par 80 mm d'air et par seulement 5/100 mm d'eau. Le mécanisme d'interaction des rayons a ( photons) avec la matière est totalement différent de celui des particules chargées. Aucune force ne se développe entre les photons et les cortèges électroniques des atomes. Cependant, trois événements conduisent à la disparition complète du photon. Les photons faiblement énergétiques sont absorbés par effet photoélectrique : ils disparaissent en transférant toute leur énergie à un électron du cortège électronique. Les photons plus énergétiques perdent leur énergie par chocs élastiques successifs sur les électrons atomiques (effet Compton), avant de disparaître par effet photoélectrique. Les photons qui ont une énergie supérieure à 1 MeV peuvent s'annihiler en créant des paires électron-positron. Les neutrons, non chargés électriquement, ne sont arrêtés dans la matière que par chocs successifs sur les noyaux. Ces derniers ayant une faible taille, il n'existe qu'une faible probabilité pour que ces chocs aient lieu. Les neutrons pénètrent donc plus profondément dans la matière que les autres rayonnements. Les rayonnements nucléaires produisent des perturbations, dans la matière, le long de leur trajectoire. Si leur interaction avec les gaz, les cristaux et les liquides permet la mesure de leurs énergies et de leurs intensités, ils peuvent également provoquer des effets sur les organismes vivants. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alpha (particule) Compton Arthur Holly électron neutron photoélectricité positron rayonnement - Le rayonnement électromagnétique La radiobiologie Depuis l'origine de la vie sur Terre, tout être vivant a vécu constamment dans un bain de rayonnements : rayonnement cosmique, radioéléments naturels présents dans la croûte terrestre et ceux qui sont incorporés dans l'organisme. Irradiation interne/irradiation externe. Les sources émettant des rayonnements ionisants peuvent, lors d'une contamination, se trouver à l'extérieur ou à l'intérieur de l'organisme. L'irradiation externe est réduite en plaçant un écran généralement de plomb ou de béton (dans le cas d'une source de neutrons) devant la source alors que l'irradiation interne se poursuit tant que les corps radioactifs sont présents dans l'organisme. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats irradiation Période biologique. L'intensité de l'irradiation interne décroît au cours du temps pour deux raisons : physique (désintégration) et biologique (élimination). Cette diminution dépend donc de la période radioactive du radioélément et de sa période biologique, temps nécessaire pour que la moitié des radioéléments soit éliminée par les voies naturelles. Par exemple, l'iode 131 a une période physique de 8,04 jours et une période biologique de 138 jours : sa période effective dans l'organisme est inférieure à la période physique (7,6 jours). Inversement, le césium 137 a une période physique de trente ans, alors que sa période biologique est de 70 jours : la période effective sera donc à peine inférieure à la période biologique. L'effet biologique d'un rayonnement est directement lié à l'énergie qu'il communique à un tissu. Cette grandeur est appelée dose absorbée. Son unité est le gray (Gy) et correspond à une énergie de 1 joule reçue par 1 kg de tissus ; le gray a remplacé le rad (1 rad = 0,01 Gy). L'irradiation moyenne de l'organisme humain est d'environ 1 mGy par an. À dose absorbée égale, les effets biologiques varient en fonction de deux facteurs principaux : la nature du rayonnement et le débit de dose. La nature des rayonnements est prise en compte dans l'équivalent de dose. Cette grandeur, définie pour les besoins de la radioprotection, s'exprime en sievert (Sv) ; cette unité a remplacé le rem (1 rem = 0,01 Sv). Elle est numériquement égale à la dose absorbée exprimée en gray que l'on multiplie par un facteur de qualité (Q) qui varie suivant la nocivité des rayonnements : Q est égal à 1 pour les rayons X, ( e t b ; à 2,3 pour les neutrons de faible énergie ; à 10 pour les neutrons rapides et les protons ; et à 20 pour les rayons a. D'autre part, la nocivité des rayonnements est d'autant plus grande que la dose administrée par unité de temps (débit de dose) est importante. Une irradiation X de 5 Gy de quelques heures sur le corps entier tue en moyenne un homme sur deux en l'absence de traitement (c'est la dose létale 50, ou DL 50), alors que cette même dose administrée en quelques mois ne cause que des effets biologiques à peine décelables. Les rayonnements entraînent principalement des lésions tissulaires en détruisant des cellules et des lésions des molécules d'ADN qui peuvent provoquer une modification du patrimoine héréditaire. Cependant, la radiothérapie est l'un des traitements de base des cancers, utilisée dans le traitement d'au moins 50 % d'entre eux. L'efficacité d'une radiothérapie résulte d'un compromis entre un débit de dose trop faible pour éliminer la tumeur et un débit de dose pouvant entraîner des accidents. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats ADN (acide désoxyribonucléique) alpha (particule) bêta (rayons) contamination dose gamma (rayons) irradiation mutagène (agent) neutron proton rad radiation radiations (maladie des) radiothérapie rayons X rem Les applications de la radioactivité Outre ses applications dans le domaine médical, l'utilisation de la radioactivité, et en particulier des isotopes, ne cesse de s'étendre dans les domaines les plus variés. En chimie, les isotopes permettent d'étudier les mécanismes des réactions. La méthode des indicateurs consiste à substituer un isotope radioactif à un constituant inactif d'une molécule. La molécule est ainsi « marquée «, et l'on peut suivre l'évolution du radioélément, par exemple lors d'une réaction chimique. L'étude des variations isotopiques permet d'obtenir des informations concernant les processus physico-chimiques et biologiques qui se produisent à la surface du globe, dans les océans et dans l'atmosphère. La composition isotopique 18O/16O de l'oxygène dans le carbonate de calcium varie avec la température qui règne lors de la formation de ce composé : l'analyse de l'abondance isotopique de la coquille ou du squelette carbonaté d'un animal permet de connaître la température moyenne à l'époque où il vivait. L'archéologie utilise une véritable horloge atomique : le carbone 14 (14C). La détermination de l'âge par le radiocarbone repose sur le fait qu'un être vivant, animal ou plante, assimile du 14C durant sa vie : à sa mort, cette assimilation cesse et la quantité N 0 de 14C initialement présente dans l'organisme décroît suivant la loi N(t) = N0 e -^t, où la période radioactive T = 0,693/ ^ d u 14C est égale à 5 730 ans. En supposant que la quantité N 0 d e 14C dans la nature reste inchangée au cours du temps et en mesurant la quantité N de 14C présente dans l'organisme de l'animal, on peut déterminer le temps écoulé depuis sa mort. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats archéologie - Les méthodes de datation carbone 14 datation géochronologie indicateur - 1.CHIMIE isotope Les médias radioactivité - révision des méthodes de datation Complétez votre recherche en consultant : Les médias Tchernobyl Les livres radioactivité - le stockage des déchets radioactifs, page 4216, volume 8 radioactivité - la centrale nucléaire de Tchernobyl, page 4218, volume 8 radioactivité - fûts contenant des déchets radioactifs, page 4219, volume 8 Les indications bibliographiques M. Lefort, les Radiations nucléaires, PUF, « Que sais-je ? «, Paris, 1980 (1959). P. Radvanyi et M. Bordry, la Radioactivité artificielle et son histoire, Seuil/CNRS, Paris, 1984. L. Valentin, Physique subatomique, noyaux et particules, Hermann, Paris, 1982 (1975).