TPE La bombe atomique Little Boy - TPE - Little Boy

T.P.E
La bombe atomique Little Boy
Nicolas Gotchac et Louis Le Texier
1e S – Lycée La Source – 2008 - 2009
Comment un objet aussi petit que « Little Boy » a-t-il pu
entrainer des conséquences aussi vaste sur
Hiroshima et ses habitants ?
-1-
Sommaire
Introduction : ...................................................................................................4
I - Le fonctionnement de la bombe :..............................................................4
A) La réaction de fission......................................................................................4
1. La fission de l'uranium 235 :..........................................................................4
2. Quelques calculs :.........................................................................................5
a) Variation de la masse :..........................................................................................5
b) Énergie libérée :....................................................................................................5
3. La réaction en chaîne :..................................................................................6
4. La masse critique :
..........................................................................................................................6
B) Le fonctionnement interne de Little Boy.......................................................7
1. L'intérieur de la bombe :................................................................................8
2. La mise à feu :...............................................................................................8
II - La radioactivité :.........................................................................................8
A) Les découvertes historiques..........................................................................8
B) Explication du phénomène.............................................................................9
1. La désintégration des noyaux :......................................................................9
2. Les périodes :..............................................................................................10
3. Les rayonnements radioactifs :....................................................................10
a) L'émission alpha : α.............................................................................................10
b) L'émission bêta : β..............................................................................................11
c) L'émission gamma : γ..........................................................................................11
d) Les neutrons :.....................................................................................................11
4. Les unités de la radioactivité :......................................................................11
a) La dose équivalente :..........................................................................................12
b) La dose efficace :................................................................................................13
III – Les effets immédiats de l'explosion :...................................................13
A) Les effets thermiques...................................................................................14
B) Les effets du souffle......................................................................................15
-2-
IV - Les effets du rayonnement radioactif de la bombe sur le corps
humain............................................................................................................15
A) Les effets déterministes................................................................................15
1. Effets à l'échelle moléculaire et cellulaire :...................................................16
2. Effets à l'échelle de l'organisme :.................................................................17
a) Irradiation localisé aiguë :....................................................................................17
b) Irradiation entier de l'organisme :........................................................................18
B) Les effets stochastiques...............................................................................19
1. Les effets cancérigènes :.............................................................................19
2. Les effets sur l'embryon et le foetus :..........................................................20
Conclusion :...................................................................................................21
Bibliographie :................................................................................................22
-3-
Introduction :
Au cours de la seconde guerre mondiale, dans le cadre du projet Manhattan, la
bombe atomique Little boy fut développée par des ingénieurs américains et européens. Celle
ci, contrairement à Fat Man larguée quelques jours plus tard sur Nagasaki, tirait sa puissance
explosive de l’uranium (235) enrichi et non du plutonium. Elle a engendré des dégâts sans
précédents (plus importants que ceux de Hiroshima) autant sur les bâtiments que sur les
humains. Cette nouvelle conception des armes changèrent le mode de fonctionnement des
guerres, et les bombes atomiques furent ensuite utilisées comme moyen de pression durant
la Guerre Froide. Mais comment un objet de si petite taille peut il engendré des dégâts aussi
important ? Pour répondre à cette question, nous allons tous d’abord étudier le
fonctionnement de la bombe atomique Little Boy, puis sur ses répercussions sur l’organisme
et sur la ville de Hiroshima.
I - Le fonctionnement de la bombe :
A) La réaction de fission
1. La fission de l'uranium 235 :
La bombe atomique Little Boy, du type « bombe A », tire sa puissance de la fission
de l’uranium 235. L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique
92. C'est un élément naturel assez fréquent, un métal lourd radioactif qui s'enflamme
spontanément dans l'air à température élevée. C’est parce qu’il est trouvé naturellement,
trouvé pur dans certains minéraux, que la conception de la « bombe A » fut d’abord
expérimentée avec de l’uranium 235. La fission nucléaire a été découverte en décembre
1938 par deux chimistes du Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie de Berlin : Otto Hahn et son
jeune assistant Fritz Strassmann. La fission avait lieu après le bombardement de neutrons
sur un atome d’uranium.
Cette fission avait pour effet de scinder l’atome d’uranium 235 en 2 autres atomes.
Selon les lois de Soddy, il y a conservation du nombre atomique. Il y a environ 40 équations
de fissions possibles, mais nous allons prendre comme exemple la suivante :
235
92
139
1
U  10n  94
36 Kr  56 Ba 3 0 n
Ici, la fission d'un atome d'uranium donne naissance à un atome de Krypton 94 et un
autre atome de Baryum 139, en libérant ainsi une quantité d’énergie considérable et donc de
chaleur, et quelques autres neutrons, souvent 3 (2,48 en moyenne).
Fission d'un atome d'uranium 235
-4-
L’énergie issue de la fission peut être classée dans ce tableau (source : Wikipédia) :
énergie
Énergie de fission de
(MeV)
% énergie
totale
Commentaire
Énergie cinétique des fragments de
fission
166
81,5
énergie instantanée localisée
Énergie cinétique des neutrons de fission
5
2,5
Énergie des γ de fission
8
3,9
énergie instantanée
délocalisée
Énergie des neutrinos
11
5,5
énergie instantanée perdue
Total
190
93,1
énergie instantanée
2. Quelques calculs :
a) Variation de la masse :
Il est simple de calculer la variation de masse d'un noyau d'uranium qui a lieu avant
et après la fission, selon la formule suivante :
m=∑ masse des noyaux formés∑ masse des noyaux initiale
Pour faire ce calcul, nous allons reprendre l'équation de fission prise comme exemple
plus haut :
235
92
139
1
U  10n  94
36 Kr  56 Ba 3 0 n
Nous connaissons les données suivantes :
•
•
•
•
mn = 1,0087 u
mU = 234,9935 u
mKr = 93,8946 u
mBa = 138,8882 u
L'unité u est l'unité de masse atomique, et 1u=1,6606⋅10−27 kg
Ainsi :
m=3 mnm Kr m Ba − mU mn =−0,1933
b) Énergie libérée :
Maintenant que nous connaissons la variation de la masse lors de la fission d'un
noyau d'uranium, nous pouvons calculer l'énergie libérée lors de cette fission, soit le variation
de l'énergie avant et après la fission.
D'après Albert Einstein :
E =m⋅C
2
Soit E l'énergie formée, m la quantité de matière changée en énergie et C la célérité
de la lumière : Ht =
Wr⋅Dr
∑
-5-
Ainsi :
E=m⋅C
2
Maintenant que nous connaissons l'énergie produite par un noyau d'uranium, nous
allons tâcher de connaître l'énergie produite par 1g d'uranium pur. Il s'agit donc de calculer le
nombre de noyaux dans 1g d'uranium. Nous savons que 1 noyau d'uranium a une masse de :
Ht =∑ Wr⋅Dr
Donc, pour 1g d'uranium :
−3
1⋅10
=2,56⋅1021 noyaux
3,9023⋅10−25
Ainsi, pour 1g d'uranium :
E libérée par 1g d ' uranium =2,56⋅1021×2,8889⋅10−11=7,40⋅1010 J
La fission de 1g d'uranium produit donc 74 milliards de Joules. En comparaison avec
la combustion de 1g de pétrole qui produit 42 000 Joules, l'uranium pur libère environ 1 800
000 fois plus d'énergie que le pétrole.
3. La réaction en chaîne :
Cependant, ce résultat reste à peu près juste pour la fission d'uranium pur, or il est
bien évident que l'uranium présent dans la bombe Little Boy n'était pas pur à 100%.
Nous avons vu précédemment que lors de la fission, des neutrons étaient libérés.
Les neutrons ainsi produits peuvent rentré en contact avec d’autres atomes d’uranium 235 et
ainsi libérés plus d’énergie et plus de neutrons. Nous appelons ça une réaction en chaîne.
Réaction en chaîne de la fission de l'uranium
4. La masse critique :
Cependant, certains neutrons ne rentrent pas en collision avec d’autres atomes
d’uranium une fois libérés, et la réaction en chaîne peut être ainsi perdue. Pour que cette
réaction en chaîne puisse être perpétuée, il faut qu’il y ait une quantité suffisante d’atome
d’uranium 235 dans le milieu. Nous appelons ça la masse critique. La masse critique de
l’uranium 235 est d’environ 48 kg. Voici un tableau montrant les masses critiques de
quelques isotopes (source : Wikipédia) :
-6-
Isotope
Masse critique
(kg)
Demi-vie
(années)
Chaleur de fission
(W/kg)
Production de neutrons
(kg-1.s-1)
U 233
16
160 000
0.28
1.2
U 235
48
700 000 000
0.000 06
0.36
Np 237
59
2 100 000
0.021
0.14
Pu 238
10
88
560
2 700 000
Pu 239
10
24 000
2.0
22
Pu 240
37
6 600
7
1 000 000
Pu 241
13
14
6.4
49
Pu 242
89
380 000
0.12
1 700 000
Am 241
57
430
110
1 500
Pour parvenir à cette fission nucléaire, la bombe atomique nécessité une
concentration de plus de 95% d’uranium 235. Les physiciens travaillants sur le projet
devaient donc enrichir l’uranium 235, en jouant sur les faibles différences de masse avec
l’isotope d’uranium 238. Pour cela, ils utilisèrent la diffusion gazeuse et transformèrent
l’uranium en un gaz corrosif, l'hexafluorure d'uranium. Ce gaz fut envoyé sous pression sur
plusieurs cloisons successives, contenants des millions de minuscules trous afin de faire
passer les molécules les plus légères, donc celle d’uranium 235, plus rapidement. Après
avoir passé les milliers de cloisons, nous avons put obtenir de l’uranium 235 enrichi à plus de
90%.
Les scientifiques chargés de la conception de la bombe ont choisis l’uranium 235 car,
contrairement à l’uranium 238, il est plutôt instable. De plus, il contient plus de neutrons que
de protons, ce qui favorise alors la réaction en chaîne.
B) Le fonctionnement interne de Little Boy
1. Aileron stabilisateur
2. Fût en acier
3. Détonateur
4. Charge explosive (cordite)
5. Projectile en uranium 235, six anneaux dans une fine
boîte en acier (poids total : 26 kg)
6. Entrées pour les instruments de mesure et le
baromètre
7. Enveloppe de la bombe
8. Fusible et dispositif d'armement
9. Canon en acier d'environ 10 cm de diamètre et 2
mètres de long
10. Câbles d'armement
11. Fût de réception en acier
12. Cible en uranium 235, deux anneaux d'un total de 38
kg
13. Réflecteur en carbure de tungstène
14. Initiateur de neutrons
15. Antennes du radar Archie
16. Cavité destinée à recevoir le cylindre de sécurité en
bore
Schéma de l’intérieur de la bombe Little Boy
-7-
1. L'intérieur de la bombe :
Nous pouvons ici voir que l’uranium 235 a été séparé en 2 parties distinctes : le
projectile et la cible. L’ensemble de l’uranium a une masse totale de 64 kg. Le projectile ayant
une masse de 26 kg représente environ 40% de la masse totale d’uranium. Il est composé de
6 anneaux d’uranium protégés dans une fine boîte en acier de 2 mm d’épaisseur. Le tout
formait un cylindre de 16 cm de longueur et de 10 cm de diamètre. La cible était un cylindre
creux de 16 cm de diamètre et 16 cm de diamètre. Afin d’améliorer la puissance de
l’explosion, l’uranium le plus enrichi fut certainement placé dans cette cible.
Les deux parties étaient placés dans des gaines en bore, afin d’absorber les
neutrons. Un système de réflecteur de neutrons, afin de les concentrer et d’améliorer la
réaction en chaîne, a été placé au nez de la bombe. Il pesait 2,3 tonnes et était composé de
tungstène et d’acier.
La balle d’uranium, le projectile, devait être lancé à une vitesse de 300 m/s. La cordite
avait pour rôle d’assurer cette vitesse de projection. Elle était composée de nitrocellulose et
de nitroglycérine.
Mais une fois la cordite placée au bon endroit, la manipulation devenait dangereuse.
De plus, si les deux masses d’uranium venaient à se rencontrer, une détonation aurait pu être
déclenchée. C’est pourquoi le capitaine William Parsons, chargé de l’armement de la bombe,
décida de placer la cordite après le décollage.
2. La mise à feu :
Afin que la bombe Little Boy ait le plus de répercussions possibles, après qu’elle fut
larguée, elle utilisait un altimètre et un capteur de pression afin de se repérer. Le détonateur
principal était relié à un altimètre radio, basé sur le principe de la réflexion des ondes sur le
sol. De plus, une fine membrane métallique venait a se déformer plus la pression augmentait,
et ainsi touchait le contact qui lançait qui lançait l’explosion de la cordite.
II - La radioactivité :
A) Les découvertes historiques
La radioactivité est un phénomène physique découvert en 1896 par Henri Becquerel,
à la suite de travaux sur la
phosphorescence.
Son
expérience
consistait à sceller une plaque
photographique dans du papier noir et
mettre ce paquet en contact avec
différents matériaux phosphorescents,
qui sont donc des matériaux émettant de
la lumière dans le noir après une
exposition à la lumière. Tous ses
résultats d'expérience furent négatifs, à
l'exception de ceux faisant intervenir des
sels d'uranium qui impressionnaient la
plaque photographique à travers la
couche de papier. Cependant, il
s'aperçut que ce phénomène n'avait rien
à voir avec l'aspect phosphorescent de
Plaque photographique de Becquerel
l'uranium, car on observait les même
résultats même lorsque l'uranium n'était pas exposé à la lumière.
-8-
D'autres expériences ont été ensuite mené par Pierre et Marie Curie. Les travaux
montraient qu'un champ électrique ou magnétique sépare les rayonnements « uraniques » en
trois faisceaux distincts, qu'ils nommèrent α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux
montrait que les particules α étaient chargées positivement, les β négativement, et que les γ
étaient neutres.
Suite à différentes expériences, on a pu conclure que le rayonnement α est constitué
d'hélions, soit de noyaux d'hélium (4He), que les rayons β sont composés d'électrons et que
les γ sont des photons très énergétiques.
Les scientifiques se rendirent rapidement compte des effets néfastes de ces
radiations sur la santé. Par exemple, Henri Becquerel s'aperçut qu'un tube de matière
radioactive gardé à côté de lui (dans sa veste) lui provoqua un érythème de la peau. Les
effets irritants pour l'oeil des rayons X était connus. Marie Curie, après avoir manipuler des
pierres radioactives toute sa vie, mourut d'une leucémie, étant déjà presque aveugle,
épuisée, et ayant les doigts brulés.
B) Explication du phénomène
Dans la nature, la plupart des noyaux d’atomes sont stables, cependant certains
atomes ont des rayons instables (excès de neutrons, de protons ou des deux).
1. La désintégration des noyaux :
On dits ces noyaux radioactifs et ils sont appelés radio-isotopes ou radionucléide,
leurs noyau se transforme spontanément en d’autres noyau d’atomes radioactifs ou non.
Ainsi de transformations en transformations, le noyau d’uranium 238 tend à se transformer en
forme stable de plomb 206. Ce phénomène est appelé désintégration.
L´ensemble des noyaux créés par la succession de ces désintégrations est nommé
filiation radioactive du noyau d´origine. Ainsi, pour l'uranium 238, le noyau va tout d'abord se
désintégrer en Thorium 234, puis en Protactinium 234, ainsi de suite.
Désintégration du noyau d'uranium 238
-9-
2. Les périodes :
Chaque élément radioactif est en partie caractérisé par sa période, également appelé
demi-vie. Pour un échantillon de noyau radioactif donné, cela correspond au temps au bout
duquel le nombre de noyaux initialement présent est divisé par 2. Cette durée peut aller de
quelques secondes à des milliard d'années.
Isotope
Période
Krypton
85Kr
10,7 ans
Tritium
3H
12,3 ans
Carbone
14C
5,7 milliers d'années
Plutonium
239Pu
24 milliers d'années
Iode
129I
17 millions d'années
Uranium 235
235U
710 millions d'années
Uranium 238
238U
4,5 milliards d'années
Thorium
232Th
14 milliards d'années
Périodes radioactives de quelques isotopes
3. Les rayonnements radioactifs :
Les désintégrations sont irréversibles et ils s’accompagnent de différents types de
rayonnements, dans le cas de la bombe atomique, cette désintégration s'accompagne
d'émissions de particules subatomiques, les particules alpha, bêta, gamma, et/ou de
rayonnements électromagnétiques : les rayons X et gamma. Etant donné que la radioactivité
ne concerne que le noyau et pas les électrons, les propriétés chimiques (déterminé par le
nombre d’électrons) de l’atome sont préservés.
a) L'émission alpha : α
Les particules α sont identifiées comme des noyaux
d'hélium comprenant 2 protons et 2 neutrons. Elles sont
émis lors de la transformation de noyaux atomiques
lourds. (Z > 82 et A > 200). Ces noyaux, instables,
émettent des particules α pour s´alléger et ainsi se
rapprocher de la stabilité. C'est le rayonnement le plus
ionisant.
Emission α d'un atome de Radium
Ces particules furent parmi les plus meurtrières à
Hiroshima.
- 10 -
b) L'émission bêta : β
Il y a deux sortes d'émissions β, l'émission
+
-
β et l'émission β .
-
L'émission β est la transformation d'un
neutron en proton avec une émission d'un
-
électron e et d'un antineutrino ¯ν.
+
L'émission β est la transformation d'un
proton en neutron avec une émission d'un
Emission β d'un atome de Colbalt
+
antiélectron e et d'un neutrino ν.
c) L'émission gamma : γ
La radioactivité γ est une onde électromagnétique. Elle est
marquée par l'émission d'un photon gamma lors de la
désexcitation d'un noyau fils. Ce rayonnement suit souvent une
désintégration α ou β, car lors de ces désintégrations, les
noyaux sont excités, c'est à dire que leur niveau d'énergie est
supérieur à la normale. Puisque ce niveau est instable, le noyau
va revenir à un l'état d'énergie de base, le noyau va se
désexciter et libérer ainsi un photon.
d) Les neutrons :
Nous avons vu que la fission d'un atome libérait de l'énergie et des neutrons. C'est
ainsi que lors de l'explosion de la bombe à Hiroshima, de nombreux neutrons se sont
propagés dans toutes les directions, dans un rayon de plusieurs kilomètres. Ces particules
ayant un pouvoir de pénétrations assez grand, elles ont eu un effet extrêmement néfaste sur
le corps humain.
4. Les unités de la radioactivité :
Différentes unités son nécessaires pour comprendre toutes les retombés du
phénomène. On compte ainsi :
–
Le becquerel : le nombre de désintégrations de noyau radioactifs par seconde (unité
- 11 -
donc très petite, on utilise le plus souvent les multiples du becquerel).
–
Le gray : il permet de mesurer l'intensité du rayonnements absorbés par un
organisme ou un objet exposé aux rayons. Il correspond à des J.kg-1.
–
Le sievert : il permet de mesurer les effets biologiques des rayonnements sur un
organisme.
Il est possible de convertir chacune de ces unités entre-elles, mais il faudra parfois
définir certaines choses.
Nous savons que le becquerel correspond au nombre de désintégration par seconde.
Or une désintégration entraîne une variation de la masse. Grâce à la formule d'Einstein :
2
E=m⋅C , nous pouvons facilement convertir cette variation de la masse en une énergie.
Nous obtenons ainsi des J.kg-1.
Pour obtenir la relation entre Gray et Sievert, il faut établir la notion de dose. Une
dose est une grandeur caractérisant l'effet biologique d'une irradiation dur les personnes qui
y sont exposés.
On connaît deux types de doses :
a) La dose équivalente :
Tous les rayonnement n'ont pas le même effet sur l'organisme. La dose équivalente
noté Ht mesure l'impacte sur les tissus biologique d'une exposition à un rayonnement
ionisant. L'unité de la dose équivalent est donc le Sievert et elle se calcule grâce à la formule
suivante :
Ht =∑ Wr⋅Dr
Soit Wr, les facteurs de pondération des rayonnements, et Dr les doses délivrés
(énergie déposé par kg de tissus) par différents types de rayonnement, ce qui correspond au
Gray.
Il reste à connaître Wr, valeur qui dépend du type de rayonnement, et classé dans le
tableau suivant :
Type et gamme d´énergie
Facteurs de pondérations
radiologiques Wr
Photons, toutes énergies
1
Electrons et muons, toutes énergies
1
Neutrons, énergie de : - moins de 10 keV
5
- plus de 10 à 100 keV
10
- plus de 100 keV à 2 MeV
20
- plus de 2 MeV à 20 MeV
10
- plus de 20 MeV
5
Protons, autres que les protons de recul, énergie
supérieur à 2 MeV
5
Particules α, fragments de fission, noyaux lourds
20
Par exemple, pour quelqu'un ayant reçu 1 Gray de l'explosion sous forme de photons
et de neutrons d'une énergie égale à 200 keV :
Ht =∑ Wr⋅Dr=1×11×20=21 Sv
- 12 -
b) La dose efficace :
La dose efficace, notée E, prend en compte la sensibilité des différents organes
exposés aux radiations. Elle se calcule grâce à la formule : E=Wt⋅Ht avec Wt, le facteur
de pondérations tissulaires, trié dans le tableau suivant :
Tissu ou
organe
Facteurs de pondérations
tissulaires (Wt)
Gonades
0.20
Moelle rouge
0.12
Colon
0.12
Poumons
0.12
Estomac
0.12
Vessie
0.5
Seins
0.5
Foie
0.5
Oesophage
0.5
Thyroïde
0.5
Peau
0.1
Surface des
os
0.1
Autres
0.5
Ainsi, pour le même exemple, la dose efficace au niveau des poumons :
E=Wt⋅Ht=0,12×21=2,52 Sv
III – Les effets immédiats de l'explosion :
Sur la maquette ces effets sont représentés par la zone colorée en rouge.
Les effets de la bombe Little Boy sur Hiroshima ont été dévastateurs, que ce soit du
point de vue humain ou matériel. Ces dommages colossaux sont en partie dû à la chaleur
(35% de l'énergie dissipée par l'explosion) et au souffle (50% de l'énergie dissipée par
l'explosion) dégagée lors de l'explosion, les 15% de l'énergie dissipée restante étant attribué
aux radiations. La puissance dissipée par la bombe à été estimée à environ 14 000 t de TNT.
Voici l'extrait du témoignage du Docteur Michihiko Hachiya, présent à Hiroshima lors
de l'explosion de la bombe Little Boy :
« Ombres et reflets, tout a disparu. Il n'y a plus qu'un nuage de poussière au milieu
duquel je n'aperçois qu'une colonne de bois qui supportait un angle de ma maison. Elle a pris
une inclinaison bizarre et le toit de la maison a lui-même l'air de hoqueter.
Instinctivement, je me mets à courir. Ou du moins j'essaie. Inutilement. Des poutres
jonchent déjà le sol. J'ai grand-peine à atteindre le jardin. Et là, tout à coup, je me sens
extraordinairement faible. je dois m'arrêter pour reprendre des forces. C'est là que je
m'aperçois que je suis complètement nu ! Où sont donc passés mon pantalon et mon
maillot ? Qu'est-il arrivé ? Je regarde mon côté droit : il est tout ensanglanté ; j'ai également
une blessure à la cuisse. L'éclat de bois qui l'a produite y est resté fiché. Quelque chose de
chaud coule dans ma bouche : ma joue est déchirée. »
- 13 -
A) Les effets thermiques
Dès l'explosion de la bombe, l'énergie thermiques fût libérée dans l'atmosphère et
transforma l'air en une boule de feu qui atteignit un kilomètre de diamètre en quelques
secondes.
Un homme entièrement brûlé, situé à moins de 1 km de l'épicentre
Au sol, la température atteignit plusieurs milliers de degrés sur le point d'impact, dans
un rayon de 1 km tout fût réduit en cendre. Jusqu'à 4 km de l'épicentre, humains et bâtiments
prirent feu. Les personnes situés dans un rayon de 8 km souffrent de brûlures au 3e degré,
comme on peut le voir dans le témoignage du Docteur Michihiko Hachiya : « Tout se passe
comme dans un mauvais rêve, je vois venir des ombres, des espèces de fantômes qui
marchent les bras écartés, je me demande pourquoi. Tout à coup je comprends qu'ils sont
brûlés et qu'ils se tiennent les bras écartés pour éviter le contact de leur propre peau. »
La plupart des vêtements protégèrent les victimes éloignés de l'épicentre des
brûlures sur la peau, mais nous avons pu observer que les parties sombres des vêtement
absorbaient plus d'énergie que les claires, et donc des brûlures étaient plus fréquentes sur
ces endroits, comme le dit le Docteur (à propos d'une victime de l'explosion) : « Ses
vêtements étaient légers ce jour-là, mais elle portait des manchettes noires. Or, elle n'a été
brûlée aux bras qu'à l'endroit de ces manchettes. Si ses vêtements avaient été entièrement
blancs, elle n'aurait pas été brûlée du tout. »
Les rayonnements thermiques engendrèrent aussi des effets à long terme, comme
les chéloïdes, des cicatrices recouvrant les brûlures apparemment guéries qui gonfle
anormalement ce qui provoque la déformation de la peau en formant des boursouflures
épaisses. Les chéloïdes apparaissent chez 50 à 60% des personnes situées à moins de 2 km
de l´épicentre souffrant de brûlures provenant directement du rayonnement thermique.
Chéloïde sur les bras et le dos
- 14 -
B) Les effets du souffle
Après la chaleur, ce fût au tour de l’onde de choc de tout dévaster : engendrée par la
phénoménale pression due à l’expansion des gaz chauds, elle progressa à une vitesse de
près de 1 000 km/h.
Elle réduisit tout en poussières dans un rayon de 2 km. Sur les 90.000 bâtiments de
la ville, 62.000 furent entièrement détruits.
L´onde de choc fût accompagnée de vents violents, créés par les différences de
pression entre le devant et l’arrière de l’onde, transportant des débris sur une large zone
(interdisant l’accès des pompiers sur les lieux d’incendies). La vitesse des vents lors de la
surpression atteignit les 500km/h voir plus et ainsi put créer des dommages au niveau des
tympans (à partir de 250km/h) et des lésions pulmonaires (à partir de 1000km/h).
Le centre ville d'Hiroshima en octobre 1945
IV - Les effets du rayonnement radioactif de la
bombe sur le corps humain
Les rayons gamma dégagés lors de l’explosion ont entrainés une contamination qui
s’est traduite chez l’être humain par des cancers et notamment des leucémies.
En effet, outre leurs redoutables effets sur l’organisme, les rayons gamma et les
neutrons directement issus de la fission nucléaire entraine la contamination de différents
éléments chimiques tels que l’iode, le sodium et le strontium.
A) Les effets déterministes
Les effets déterministes sont les effets des rayonnements ionisants néfastes à la
santé. Ils sont caractérisés par les mort des cellules exposées et représentent les effets
immédiats d'une exposition brève et intense.
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1. Effets à l'échelle moléculaire et cellulaire :
Au cours de l’interaction entre les rayons gamma et la matière, des électrons sont
libérés par un effet de diffusion Compton ou par un effet photoélectrique. Cette libération
d’électron transforme l’atome cible en ion positif et l’électron gagne de l’énergie cinétique.
Ces électrons libérés viennent ensuite percuter d’autres électrons et forment ainsi de
nombreux ions. Nous pouvons alors dire que la plupart des ions formés sont la cause des
électrons et non pas des rayons. C’est pour cela que les rayons gamma et les rayons X sont
appelés radiations indirectement ionisantes.
Les dommages cellulaires provoqués par les rayonnements ionisants sont dus
principalement à leurs effets sur l’ADN. L’origine des mutations ou de mort cellulaire est
certainement du à l’apparition de défauts dans le codage de l’ADN entraînés par les
modifications structurelles des molécules d’ADN.
Deux types de mécanismes ont été mis en évidence pour expliquer les anomalies de
l'ADN. Les rayons ionisants ont donc deux effets :
•
Un effet direct sur les molécules d'ADN :
L’ionisation d’un atome constituant la molécule d’ADN est à l’origine d’une
recombinaison avec un autre atome, modifiant ainsi la structure chimique de l’ADN.
•
Un effet indirect :
Il consiste en une ionisation des molécules d'eau, une radiolyse de l'eau, et des
molécules d'oxygène, et forment ainsi des radicaux libre qui attaquent chimiquement
l'ADN.
Lorsque l'ADN est anormal, il peut être réparé par la cellule et donc cette modification
peut être sans importance. En effet, grâce à la protéine p53, le risque peut être limité. Cette
protéine a 2 modes d'action, soit elle arrête le cycle cellulaire pour permettre la réparation de
l’ADN quand cela est possible, soit elle déclenche le suicide de la cellule (apoptose) quand
les dégâts ne sont pas réparables. Les effets des radiations se limitent alors à l'échelle
moléculaire et n'affecte pas l'organisme. Mais lorsque la cellule ne répare pas le défaut du
code génétique, cela peut engendrer des mutations cellulaires ou des morts cellulaires. La
mort de la cellule n'intervient généralement que lors de la mitose. En effet, tant qu'elle ne se
divise pas, elle reste « vivante » et peut fonctionner normalement, on parle de mort retardée.
- 16 -
Lorsque la cellule rentre en mitose, la réplication de l'ADN ne peut se dérouler
jusqu'au bout normalement, et la cellule meurt.
Plusieurs facteurs influent ces risque, il y a tout d'abords ceux liés à l'irradiation
(énergie, débit, etc...), ceux du milieu (oxygène) et de plus, une cellule est plus sensible en
mitose qu'en interphase. D’après la loi de Bergonié et Tribondeau : « les cellules sont
d'autant plus sensibles qu'elles sont peu différenciées et qu'elles se divisent beaucoup ».
Ainsi, les tissus les plus résistant sont les muscles et le tissu nerveux.
2. Effets à l'échelle de l'organisme :
a) Irradiation localisé aiguë :
Les effets immédiats d'une irradiation aigüe est souvent tout d'abord une mort des
cellules parenchymateuses (cellules constituant le tissu fonctionnel d’un organe), qui entraîne
alors des inflammations ou des nécroses, cela dépend de la dose de radiations. Par exemple,
l’irradiation de la peau entraîne l’apparition d’un érythème à partir de 3 Sv (rougeur
congestive de la peau), qui peut évoluer en desquamation (perte des couches superficielles
de l'épiderme sous formes de petites pellicules) et nécrose lorsque la dose augmente.
Les effets retardés des radiations sont souvent la mort des cellules de soutien, qui
entraîne alors une fibrose atrophique, les tissus irradiés deviennent alors fibreux et diminuent
en volume. Pour la peau, une cicatrice fibreuse se forme, souvent atrophique (diminue de
volume), avec hyper-pigmentation ou hypo-pigmentation.
L'irradiation des gonades (cellules sexuelles) entraîne une infertilité. Cette infertilité
est temporaire à partir de 0,3 Sv chez l'homme et 3 Sv chez la femme, mais devient
permanente à partir de 5 Sv chez l'homme et 7 Sv chez la femme.
L'irradiation de l'oeil peut entraîner le développement d'une cataracte. La cataracte
est l'opacification du cristallin, lentille convergente située à l'intérieur de l'oeil. Cette cataracte
se développe une à plusieurs années après l'exposition. L'irradiation de l'oeil peut aussi
entraîner une kératite, inflammation concernant la cornée (la partie antérieure transparente
du globe oculaire).
Effet d'une exposition en fonction de la dose reçu
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Nous pouvons organisé les symptômes en fonction de la dose reçu dans le cas d'une
exposition localisée dans le tableau suivant (les doses sont en Gray) :
Doses
Symptômes
1 à 3 Gy
4 à 5 Gy
5 à 12 Gy
12 à 15 Gy
15 à 20 Gy
25 à 30
Gy
Affinement
des poils
Dépilation
Erythème
Œdème /
Épidermite
sèche
Phlyctène /
Épidermite
exsudative
Nécrose
b) Irradiation entier de l'organisme :
Les effets lorsque l'organisme est exposé à des radiations en dose élevée pendant
un temps court sont une suite de syndromes connu sous le nom de syndrome d'irradiation
aigüe. Ce syndrome n'apparaît que lorsque l'irradiation est aigüe, c'est à dire intense, et
concerne le corps entier. Le rayonnement doit être suffisamment pénétrants, ce qui est le
cas des rayons Gamma de la bombe atomique Little Boy. Ce syndrome d'irradiation aigüe
peut être divisé en trois phase :
Première phase : Prodrome
Elle est caractérisée par des vomissements, de la diarrhée, de la nausée, et de
l’anorexie
Deuxième phase : Latente
On observe une régression ou une disparition des symptômes
Troisième phase :
Les symptômes réapparaissent, trois grands symptômes sont distingués :
•
Le syndrome hématopoïétique (observé à partir de 0,5 - 1 Gy) :
Les premiers signes observés sont une diminution du nombre de cellules
sanguines circulantes. La moelle osseuse étant le tissu le plus sensible aux
rayonnements ionisants, avec des doses plus importantes, une hypoplasie
médullaire (arrêt du développement de la moelle osseuse) ou une aplasie
médullaire (arrêt de production par la moelle osseuse des différentes lignées
sanguines, c'est à dire les globules rouges, blanches et les plaquettes) se
développe.
•
Le syndrome gastro-intestinal (observé à partir de 4 - 5 Gy):
Lors de la phase prodromale différent symptômes apparaissent : nausée,
vomissements, diarrhée liquide et crampes intestinales.
La phase latente est plus courte.
On observe une destruction de la muqueuse intestinale qui engendre des
troubles intestinaux, des risques de perforations intestinales et donc
d'hémorragie interne.
•
Le syndrome neurovasculaire (observé pour une dose supérieure à 50 Gy) :
Ce syndrome entraîne la mort en 2 à 3 jours.
Lors de la phase prodromale, différent symptômes apparaissent : une sensation
de chaleur, nausées, vomissements, confusion, et désorientation.
La phase latente est très courte (4 - 6 heures).
Les symptômes nerveux réapparaissent avec une plus grande gravité
(tremblement, convulsions) et conduisent au coma et à la mort.
On observe la destruction des endothéliums vasculaires (la couche la plus
interne des vaisseaux sanguins, celle en contact avec le sang). Il s’ensuit un
œdème cérébral (gonflement de l'organe suite à l'accumulation d'un liquide) et
un choc cardiovasculaire.
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B) Les effets stochastiques
A l'inverse des effets des fortes doses, les conséquences des faibles doses ne sont
observées que très longtemps après l'exposition. Ils résultent d'une mutation de l'ADN et de
la cellule, et non d'une mort cellulaire. De plus, les effets sont beaucoup moins prévisibles
que ceux des doses plus forte, et on se base seulement sur des statistiques. Les effets sont
donc plus ou moins aléatoires et leur intensité ne dépend pas de la dose reçu, ce sont les
effets stochastiques.
1. Les effets cancérigènes :
Nous avons pu observer différents types de cancers dont la fréquence commençait à
augmenter au début des années 1960. Les plus fréquents étaient
les leucémies (cancer du sang), les cancers de la thyroïde, du
poumon, de la poitrine et ceux des glandes salivaires.
Nous savons que les cancers sont des pathologies
génétiques c’est-à-dire qu’ils ont pour origine une modification de
nos gènes. Nous avons vu que les radiations ont pour effet de
modifier notre patrimoine génétique, soit notre ADN. Cette
modification peut donc induire un cancer. En effet, trois grandes
catégories de gènes sont associés aux pathologies cancéreuse :
•
Les oncogènes : ils sont les régulateurs positif de la
prolifération cellulaire, c'est à dire de la multiplication
cellulaire. Ils deviennent hyperactif lors d'un cancer, ce qui
est la conséquence de la mutation de ces gènes.
•
Les gènes suppresseurs de tumeurs : ils sont les
régulateurs négatif de la prolifération cellulaire, ils agissent
donc comme des frein. La mutation de ces gènes induit
leur non-activité.
•
Développement d'un
Les gènes de réparation de l'ADN : ils sont les gènes des
cancer
système pouvant « réparer » l'ADN. Ils sont inactifs après
les mutations, et ne peuvent alors réparer les deux premiers gènes.
La capacité de division de la cellule dépend de sa propre fonction et de la nature du
tissu. Plus une cellule irradiée se divise rapidement, plus le cancer apparaîtra rapidement.
Les leucémies sont des cancers du sang. Or le tissu à l'origine des cellules
sanguines est constitué de cellule se multipliants rapidement. Ainsi, une cellule mutée
mènera rapidement par division cellulaire à la formation de toute une population de cellule
mutée identiques. Ainsi, les leucémies peuvent apparaître assez rapidement après
l'exposition, seulement quelques années après.
Les cellules des poumons se renouvellent peu et lentement. Si la mortalité cellulaire
est forte, des mécanismes de compensations vont commander la multiplication des cellules
restantes, et ainsi c'est un forte mortalité des cellules des poumons qui entraînera une forte
prolifération cellulaire et favorisera le développement du cancer du poumon par la
multiplication des cellules mutées par l'irradiations, de
cellules cancéreuses.
Les cancers de la thyroïde étaient très fréquents,
mais c'était les seuls qui pouvaient être évités même
après l'explosion. En effet, la thyroïde est la plus
volumineuse des glandes endocrines, glande qui
sécrète des hormones dans la circulation sanguine.
L'iode est capté par la thyroïde, il vient se fixer dessus,
- 19 -
et est ainsi indispensable au fonctionnement de l'organisme. Le cancer de la thyroïde est
provoqué par la fixation d'iode 131, qui vient se fixer sur la glande. Afin d'éviter ce cancer, il
faut consommer à forte dose de l'iode non radioactive, et ainsi saturé la thyroïde. L'iode 131
radioactive ne peut alors plus se fixer à la thyroïde.
Le rôle des radiations est donc significatif dans les risques de cancers.
Temps d'apparition d'un cancer après l'explosion
de Little Boy
2. Les effets sur l'embryon et le foetus :
Nous avons pu observer à Hiroshima de nombreuses malformations ou des retards
mentaux sur les enfants des mères étant enceinte lors de l'explosion de la bombe. Ceux-ci
résultent de l'irradiation de l'embryon.
L’effet des radiations sur l’embryon et le fœtus dépend du stade de développement.
Chez la femme, l’œuf fécondé est très sensible aux radiations avant le 9e jour. Une
exposition pendant cette période peut entraîner la perte de l’œuf qui passe cependant le plus
souvent inaperçue. Pendant la phase de développement de l’embryon, la mort ou la mutation
d’une cellule peut entraîner un défaut dans l’organogenèse, c'est à dire le processus de mise
en place des organes de la 5e à la 8e semaine, et être à l’origine des malformations. Le tissu
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nerveux est très sensible aux radiations pendant la période de développement du système
nerveux (8e à 16e semaine).
Schéma résumant les effets des rayonnements
Conclusion :
Nous avons donc appris durant ce TPE que la bombe atomique qui a été larguée sur
Hiroshima fonctionnait grâce à la fission d'un atome d'uranium 235, découverte quelques
années plus tôt. Cette avancée scientifique fût meurtrière.
En effet, elle causa la mort de dizaines de milliers de personnes, mais ce chiffre n'est
toujours fixé, à cause des morts indirectement causés par l'irradiation.
Cependant, la découverte de la fission nucléaire a permit de nombreuses avancées
scientifiques. En effet, une des principales application sont les centrales nucléaires. Le fission
de l'atome dégage suffisamment d'énergie et de chaleur pour pouvoir alimenter en électricité
17% de l'électricité mondiale.
FIN
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Bibliographie :
DOCUMENT IMPRIMÉ
Encyclopédies et dictionnaires
FRÉMY Dominique et Michèle. La radioactivité. Le Quid 2004. Laffont, 2004. Pages
41.
Périodiques
GUILLEMOT Hélène & CHAMBON Philippe. Dossier Hiroshima. Science & Vie N
°935. Août 1995. Pages 76 à 87.
DOCUMENT ELECTRONIQUE
Page d'un site web
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Consulté le 10-01-2009. http://www2.vet-lyon.fr/ens/imagerie/D1/09.Radiobiologie/Rnotes.html.
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Fouteux. Consulté le 05-11-2009.http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/rescol99/bombe
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