Chapitre 6 : la radioactivité et ses effets

Chapitre 6 : la radioactivité et ses effets
1 Rappels
1.1 structure du noyau
Le noyau de l’atome, découvert en 1911 par le physicien anglais
Ernest Rutherford est 100 000 fois plus petit que l’atome. Le noyau
rassemble pratiquement toute la masse de l’atome.
Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Les
nucléons sont de deux types : les protons et les neutrons.
Le nombre de nucléons est noté A, on l’appelle aussi le nombre de
masse.
Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z. On l’appelle
le numéro atomique ou le nombre de charges.
Les deux nombres A et Z suffisent pour caractériser un noyau.
Le nombre de neutrons vaut : N = A – Z.
Taille et masse des composants nucléaires
1.2 Isotopes
A chaque couple de valeurs (Z, A), correspond un type de noyau que l’on note :
où X est le symbole de l’élément chimique.
En conséquence, la notation représente le noyau d’un atome.
Des noyaux possédant le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons
sont appelés isotopes.
Il existe environ 350 noyaux naturels et plus de 2500 noyaux artificiels obtenus en laboratoire.
Exemples :
Remarque :
Deux atomes ayant :
le même Z mais un A différent sont des isotopes
le même A mais un Z différent sont des isobares
le même N mais un Z différent sont des isotones
Exemples :
Toujours plus lourd... Une molécule d'eau
ordinaire est constituée de deux atomes
d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Dans la
deuxième fiole, l'hydrogène est remplacé par
l'un de ses deux isotopes, le deutérium. Tous
les atomes d'hydrogène ont été remplacés par
des atomes de tritium dans le troisième flacon,
qui est le plus lourd. En mai 1950, Life
Magazine a utilisé cette photo pour faire
comprendre la notion d'isotope « lourd » à ses
lecteurs.
1.3 Trois forces en action dans le noyau et leur hiérarchie
Trois types de forces entrent en compétition dans le noyau. La principale est la force ou
interaction nucléaire ou forte qui assure la cohésion des noyaux car est attractive. Elle est
responsable aussi de la radioactivité alpha. La seconde, appelée électromagnétique, est
répulsive mais moins intense. La troisième force est appelée « interaction faible ». Ni attractive,
ni répulsive, elle agit à l’intérieur même des nucléons. Elle transforme une espèce de nucléon
(proton ou neutron) dans l’autre espèce et vice-versa, provoquant la radioactivité bêta. La
stabilité ou l'instabilité d'un noyau sont le résultat de la compétition entre ces trois interactions.
La cohésion de la matière nucléaire est assurée
par une attraction extrêmement intense qui
l'emporte sur la répulsion due à la charge
électrique des protons. Cette « interaction
forte » est à courte portée car un proton ou un
neutron ne ressentent pas d'effets à distance
d'un noyau. L'attraction se fait fortement
sentir dès que le nucléon (ici un neutron) entre
en contact avec le noyau qui est capturé. Cette
« colle nucléaire » a été représentée sur la
figure enrobant nucléons et les noyaux.
Le noyau est pratiquement incompressible. En son sein, protons et neutrons sont en contact
comme les molécules d'un liquide.
Ils tiennent ensemble sous l'effet d'une interaction de contact, appelée « nucléaire » ou forte, car
il s'agit de la force dominante. Bien qu'extrêmement intense, l'interaction nucléaire est restée
longtemps insoupçonnée, parce qu'elle est à très courte portée. Elle le serait encore, sans la
découverte en 1896 de la radioactivité. Cette courte portée se manifeste par le fait que des
neutrons peuvent passer au voisinage immédiat d'un noyau sans être captés.
Des forces de répulsion électromagnétiques s'exercent dans le noyau entre charges électriques
de même signe. Ces charges sont portées par les protons. Les protons étant pratiquement au
contact, il faut que les forces nucléaires attractives soient très intenses pour vaincre la répulsion
de ces charges confinées dans une minuscule sphère dont le rayon est de quelques millionièmes
de milliardième de mètre.
Les caractéristiques des forces électromagnétique et forte expliquent la stabilité des petits
noyaux par rapport aux grands :
Dans un noyau de grande taille, un nouveau proton n’est attiré que par un à trois autres
nucléons en moyenne, alors qu’il subit la force électrostatique répulsive de tous les autres
protons du noyau
Les neutrons, en ne subissant pas les forces répulsives du fait de leur neutralité de charge,
sont ainsi plus simples à incorporer dans un nouveau noyau
Dans la classification périodique des éléments, il existe aux alentours de l’élément Fer une
évolution de la possibilité de fusionner, à progressivement celle de fissionner, c’est que l’équilibre
entre les forces nucléaires et électrostatiques change également :
Avant le Fer / Nickel : il y a peu de protons dans le noyau et ils se trouvent donc à distance
proche les uns des autres, sous l’influence majoritaire de la force nucléaire qui supplante la
force électrostatique
Après le Fer / Nickel : les protons sont plus éloignés les uns des autres. Si les nucléons
proches sont toujours dominés par l’interaction forte avec leurs voisins, ils subissent
également une répulsion importante des protons les plus éloignés. Si cette répulsion
prédomine, une désintégration ALPHA peut éventuellement survenir
La troisième force présente dans le noyau est une force discrète. Elle joue pourtant un rôle
fondamental dans l'univers. Sans la « force faible », le soleil s'arrêterait de briller parce qu'il ne
pourrait pas fusionner l'hydrogène en deutérium. En rendant possible, si le bilan énergétique le
permet, de transformer un proton en neutron ou inversement, la force faible dépeuple les
coteaux de la vallée de stabilité et rassemble tous les noyaux au fond de la vallée.
L'exemple du tritium, le plus simple des
noyaux radioactifs, montre comment la
nature à recours à transformation d'un
neutron en proton, due aux « forces faibles »
pour modifier le rapport entre les deux
espèces de nucléons. Le tritium, pourrait
expulser un de ses deux neutrons mais cette
expulsion ne se produit pas spontanément car
elle coûte de l'énergie. Par contre, la
désintégration d'un neutron en proton
accompagné d'un électron bêta et d'un
antineutrino, libère un peu d'énergie Cela
suffit pour que le tritium soit radioactif. C'est
la force faible qui rend le tritium instable.
2 Stabilité et instabilité des noyaux
La cohésion du noyau est due à l’existence d’une interaction forte, attractive qui unit l’ensemble
des nucléons et qui prédomine devant l’interaction électrique (répulsion entre les protons).
L’interaction forte est intense mais de très courte portée (de l’ordre du femtomètre : 10
soit un milliardième de micromètre.)
– 15
m,
Il y a antagonisme entre l’interaction forte et la répulsion électrique des protons.
La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre l’interaction forte, responsable de
l’attraction des nucléons et l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les
protons.
Dans certains cas la cohésion n’est pas suffisante, on dit que les noyaux sont instables.
La stabilité des noyaux obéit aussi aux lois de la mécanique quantique : un noyau possédant trop
de particules de même type est instable.
Dans les petits noyaux, il y a une tendance à la symétrie : le nombre de protons est égal au
nombre de neutrons pour les noyaux stables.
Un noyau est instable s’il possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons.
Un noyau est instable s’il possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons.
Un noyau est instable s’il possède trop de protons et trop de neutrons.
Ils se désintègrent spontanément, on dit qu’ils sont radioactifs. Ce sont des radionucléides.
3 Diagramme de stabilité des nucléides
Isotopes d’un atome
Commentaires :
Pour les noyaux stables :
L’ensemble des noyaux stables (en rouge) forme sur la représentation graphique la vallée de
stabilité.
Les noyaux légers stables se répartissent au voisinage de la première bissectrice (N = Z
autant de protons que de neutrons).
Les noyaux lourds stables s’écartent de la bissectrice. Ils ont plus de neutrons que de
protons.
Pour les noyaux instables :
En bout de la vallée de stabilité, ils se désintègrent en émettant des particules alpha : ils
sont radioactifs alpha.
Au-dessus de la vallée de stabilité, ils sont émetteur β -.
Au-dessous du domaine de stabilité, ils sont émetteurs β +.
Radioactivité : animation générale
http://launay.elise.free.fr/radioactivite_anim.swf
En 1999, on a mis en évidence tous les éléments depuis Z = 1 jusqu'à Z = 112 (une
expérience récente prétend avoir mis en évidence les éléments Z = 114, Z = 116 et Z = 118).
Un élément donné possède en général au moins un isotope stable, et plusieurs isotopes
radioactifs. Par exemple, on connaît 15 isotopes de l'oxygène (de A = 12 à A = 26), mais
seuls 16O,17O et 18O sont stables.
Tous les éléments de Z = 1 à Z = 83 (sauf Z = 43 et Z = 61) possèdent au moins un isotope
stable, et donc sont présents sur la Terre.
Ceux de Z = 84 à Z = 92 sont radioactifs, mais encore présents sur la Terre.
Les éléments avec Z > 92 n'existent pas naturellement, mais ils ont été fabriqués et étudiés
par l'homme.
Pour résumer la situation, 280 nucléides sur les 3 000 connus sont stables. La radioactivité
est donc un phénomène courant. Les physiciens ont analysé les modes de désintégration les
plus fréquents.
La masse du noyau est reliée à son énergie
interne par la relation d'Einstein. Elle
détermine sa stabilité. L'élément le plus
stable d'une série de noyaux comportant le
même nombre de nucléons est celui dont la
masse est la plus petite.
La famille de noyaux comportant 127
nucléons montre la relation entre masse et
stabilité.
Dans la famille des noyaux à 127 nucléons, seul le noyau d’iode-127 est stable. Si l’on
représente les énergies de masse (mc2) des noyaux de cette famille, la courbe des masses a
l'allure d'une vallée. Le nombre de protons augmente de gauche à droite, de 49 (indium) à 57
(lanthane), alors que celui des neutrons diminue de 78 à 70. L’énergie de l’iode-127 étant prise
comme 0, les différences d’énergies sont exprimées en millions d’électronvolts. Les noyaux sur
le flanc gauche de la vallée, excédentaires en neutrons retrouvent la stabilité par une suite de
désintégrations bêta-moins, ceux du flanc droit (excédentaires en protons) par une suite de
désintégrations bêta-plus.
Le début de la vallée de stabilité
Carte des nucléides en 1940
Carte montrant les nucléides qui étaient connus avant 1940. Ces noyaux stables ou quasi-stables
suivent une ligne qui correspond au fond de la vallée de stabilité. Cette ligne se termine avec
l'uranium-238 composé de 92 protons et 146 neutrons, le noyau naturel le plus lourd, lui-même
radioactif. La zone en grisé correspond aux nucléides connus aujourd'hui et qui sont beaucoup
plus nombreux.
Carte des nucléides (2000)
Les "nucléides" connus aujourd'hui, colorés en fonction de l'année de découverte. Les noyaux
instables sont situés de part et d'autre de la ligne de stabilité ainsi que dans son prolongement.
Dans ce prolongement (à droite de la carte) on trouve les noyaux « transuraniens » plus lourds
que l'uranium (92 protons).
Une désintégration en entraîne souvent d’autres : La transition vers un état stable ne se fait que
rarement à la première désintégration. Une suite de quelques désintégrations s’enchaîne
souvent, transitant par plusieurs isotopes, voire plusieurs éléments différents.
Exemple : le Radium 226 passe par 9 étapes avant de devenir du plomb 206 dont l’état est
stable.
Désintégrations successives d’un atome instable
Les atomes et la radioactivité
http://www.youtube.com/watch?v=lKH-vLONLKU
C’est pas sorcier : la radioactivité
http://www.youtube.com/watch?v=edotZOqjUDM
4 Définition de la radioactivité
Lorsqu’un noyau
est instable, il subit une transformation spontanée conduisant à la
formation d’un nouveau noyau
.
Ce phénomène porte le nom de radioactivité.
est appelé le noyau fils.
est appelé le noyau père et
Cette transformation radioactive s’accompagne de l’émission de particules et de
rayonnements électromagnétiques.
5 De la radioactivité à la fission de l’atome : historique
1896 Après la découverte des rayons X par le physicien allemand Wilhelm C. Röntgen en 1895,
de nombreux savants recherchent des sources naturelles de rayons X. Le physicien français Henri
Becquerel découvre fortuitement que des sels d'uranium émettent des rayons nouveaux, qu'il
appelle « uraniques ».
1897 Joseph J. Thomson et divers savants britanniques, allemands et néerlandais (dont
P. Zeeman et H. Lorentz) découvrent l'électron, puis mesurent le rapport de sa charge électrique
à sa masse et définissent enfin son rôle comme un des constituants de l'atome.
1898 Les Français Pierre et Marie Curie, après avoir montré que le thorium émet aussi de
tels rayons, découvrent et isolent le polonium et le radium. Ils étudient les « rayons » émis
(origine de cette énergie et lois de conservation ; aspect probabiliste de ces émissions
introduisant pour la première fois dans la description d'un atome cet aspect aléatoire ; mesures
électriques) et nomment ce phénomène de « radioactivité », comme l'appelle Marie Curie.
1899 Le physicien britannique Ernest Rutherford montre que ce rayonnement radioactif
contient des noyaux d'hélium (dits rayons alpha) et des électrons (dits rayons bêta). André Louis
Debierne (1874-1949), collaborateur de Pierre et Marie Curie, découvre l'actinium, autre corps
radioactif.
1900 E. Rutherford introduit la notion de période radioactive.
1902 E. Rutherford et Frederick Soddy élaborent les lois physiques des phénomènes radioactifs
et démontrent que les radioactivités alpha et bêta entraînent la « transmutation » d'un atome
en un autre.
1903 Becquerel et les Curie reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur la
radioactivité.
1905 Albert Einstein montre l'équivalence entre la masse et l'énergie d'une particule.
1909 E. Rutherford montre que la particule alpha est un hélium.
1910 Lors du congrès international de radiologie, on définit le curie (Ci), radioactivité d'un
gramme de radium, comme unité de radioactivité. Quoique l'unité officielle soit devenue le
becquerel (Bq, une désintégration par seconde), le Ci (3,7 x 1010 Bq) est très utilisé dans la
pratique, car il est plus intuitif. Par exemple, les sources de radiothérapie dans les hôpitaux sont
exprimées en Ci. Rutherford montre l'existence d'un noyau de l'atome et propose un modèle de
l'atome (modèle de Rutherford) : un noyau entouré d'électrons. Il identifie cette structure à un
système planétaire : le noyau joue le rôle du Soleil et les électrons celui des planètes. Frederick
Soddy et George Hevesy montrent l'existence d'isotopes d'un même atome ne différant que par
la masse du noyau. Ils ne publieront ce résultat qu'en 1913.
1913 Le Danois Niels Bohr applique la théorie des quantas (découverte en 1900 par Planck
et développée par certains physiciens comme Einstein) à l'atome d'hydrogène, posant les
hypothèses nécessaires pour assurer la stabilité de l'atome, les positions des raies spectrales de
lumières émises et absorbées, et le tableau périodique des éléments de Mendeleïev.
Années 1920 Mise au point de la théorie de l'atome par N. Bohr, W. K. Heisenberg, W. Pauli,
E. Schrodinger, P. Dirac, L. de Broglie, M. Born, H. Kramers, E. Fermi, S. Bose, A. Einstein.
1932 Le physicien britannique James Chadwick établit l'existence du neutron. Le noyau est
ainsi constitué d'un assemblage de protons (noyau de l'hydrogène) et de neutrons.
1934 Découverte, en janvier, de la radioactivité artificielle par Frédéric et Irène Joliot-Curie,
ce qui leur vaudra, en 1935, le prix Nobel de chimie.
1938-1939 À partir des expériences menée à Rome depuis 1934 par l'Italien Enrico Fermi sur
les neutrons ralentis et les réactions nucléaires inexpliquées qu'ils produisent, les Allemands
Otto Hahn et Fritz Strassmann, dans la poursuite des expériences initiées avec Lise Meitner
(physicienne autrichienne travaillant à Berlin, réfugiée en Suède en juillet 1938 après
l'Anschluss, qui fait que les lois raciales lui sont appliquées), découvrent la fission du noyau
d'uranium. Lise Meitner et Otto Frisch, en Suède, expliquent ce phénomène par un modèle
physique montrant notamment l'énergie dégagée et les émissions de rayonnements. En
France, Frédéric Joliot et ses collaborateurs mesurent et publient le nombre moyen de neutrons
produits par une fission, chiffre qui permet d'envisager une réaction en chaîne, c'est-à-dire une
suite de fissions dans laquelle chacune d'elles est déclenchée par un des neutrons émis lors de
la précédente fission.
1940 Aux États-Unis Herbert L. Anderson et Enrico Fermi montrent, à l'université Columbia
(New York), que le carbone est un modérateur convenable pour réaliser une réaction en chaîne
et en gardent le secret, compte tenu de la menace allemande.
1942 Première réaction nucléaire en chaîne, réalisée le 2 décembre par Enrico Fermi
(réfugié à cause des lois raciales) à l'université de Chicago.
La radioactivité naturelle : l’épopée du radium
http://www.youtube.com/watch?v=UQFms-o26nE
La radioactivité artificielle et la fission
http://www.youtube.com/watch?v=Nrmog5yKBok
6 Lois de conservation : lois de Soddy.
Comme toutes les réactions nucléaires, les processus radioactifs vérifient les lois de
conservation suivantes :
-
Conservation de la charge électrique.
Conservation du nombre total de nucléons.
Conservation de la quantité de mouvement.
Conservation de la masse-énergie.
-
Lois de Soddy :
Equivalence masse / énergie
6.1 L’électron–volt, une unité d’énergie adaptée à la physique nucléaire
En physique, l'électron-volt (symbole eV) est une unité de mesure d'énergie. Sa valeur est
définie comme étant l'énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une
différence de potentiel d'un volt.
Un électron-volt est donc égal à environ : 1,60217653×10-19 joule (J).
C'est une unité hors système international (SI) dont la valeur est obtenue expérimentalement.
On utilise l'électron-volt notamment en physique des particules pour exprimer les niveaux
d'énergie rencontrés dans les accélérateurs de particules et la fusion thermonucléaire, en
physique des semi-conducteurs pour exprimer le gap de ceux-ci ou en physique des plasmas.
Multiples usuels :
D'après la relation E = m·c2 de la relativité restreinte, on déduit :
Par exemple, la masse de l'électron est de 511 keV/c2, celle du proton de 938 MeV/c2 et celle du
neutron est de 940 MeV/c2.
Electronvolts (eV) : la mesure des petites énergies
Equivalence masse énergie des éléments constitutifs de la matière
7 Processus radioactifs
Les trois modèles principaux de décomposition radioactive sont les émissions de radiations
alpha, bêta et gamma :
7.1 Radioactivité Alpha
7.1.1 Définition et caractéristiques générales
Des noyaux instables émettent souvent des particules alpha, c’est à dire
des noyaux d’hélium consistant en deux protons et deux neutrons.
De loin la plus massive des particules émises lors d’une désintégration
radioactive, elle est aussi la plus lente, excédant rarement 1/10ème de la
vitesse de la lumière.
Par conséquent, son pouvoir de pénétration est faible : elle peut
habituellement être stoppée par une simple feuille de papier. Mais si un
émetteur de particules alpha comme le plutonium est introduit dans le
corps humain, il crée une sérieuse menace de cancer.
La radioactivité alpha correspond à une réaction nucléaire qui se traduit par une équation du
type :
Par exemple, la désintégration du radium 226 en radon :
ou encore la désintégration de l’uranium 238 en thorium :
On vérifie directement les lois de Soddy :
Une grande partie des noyaux lourds se désintègrent de cette façon, avec la propriété que
l'énergie Eα de la particule α est unique pour chaque réaction particulière. Ainsi, la
désintégration du 238U donne des α de 4,198 MeV.
Rayonnement ALPHA
Du fait des différences de masse importantes entre le noyau d’Hélium et le noyau principal,
c’est le noyau le plus léger (le noyau d’Hélium) qui proportionnellement aura la plus grande
énergie cinétique. La vitesse du noyau lourd est peu modifiée suite à cette désintégration.
Energie émise lors des désintégrations ALPHA
Analogie avec le recul d'une arme à feu
La cinématique d’une désintégration alpha s’apparente à la cinématique d’une arme à feu dans
laquelle, la balle légère emporte beaucoup plus d’énergie que l'arme qui recule. Les quantités
de mouvement (produits des masses par la vitesse) du noyau du recul et de la particule alpha se
compensent. Les vitesses (v) et les énergies cinétiques (T) sont en raison inverse des masses,
donc très inégales. Dans le cas d'un noyau de radium, la particule alpha emporte 98.3 % de
l'énergie disponible. Les particules alpha sont dites « monocinétiques » car elles sont toujours
émises avec la même énergie.
Equivalence masse/énergie lors d’une désintégration ALPHA
7.1.2 L’effet tunnel à l’origine de la radioactivité α
Le très grand âge des noyaux d'uranium et de thorium qui atteignent des milliards d'années
témoigne que les désintégrations alpha se produisent difficilement, bien qu'elles libèrent des
millions d'électronvolts d'énergie.
Ces noyaux seraient parfaitement stables sans un mécanisme laborieux qui vient à bout des
forces nucléaires et déclenche une désintégration. L'effet attractif de la colle nucléaire cesse
brutalement hors du noyau. Si quatre nucléons, groupés en une particule alpha, arrivent à
perdre le contact avec les autres nucléons, ce groupe ne ressent plus que la répulsion due à la
charge électrique du reste du noyau. Il s'en éloigne alors de plus en plus vite pour acquérir
l'énergie cinétique de quelques millions d'électronvolts dont il a été question. Le tout est
d'arriver à perdre ce contact.
On doit à un physicien américain d'origine russe, George Gamow, la première explication de la
désintégration alpha, une désintégration qui n'est pas autorisée par les lois de la physique
classique.
Le mécanisme proposé par Gamow a été appelé « effet tunnel ». Pour simplifier la
présentation de l'effet tunnel, nous supposerons que la particule alpha préexiste dans le
noyau, comme le fit George Gamow à l'époque
L'effet tunnel est dû à ce qu'une particule se comporte à la fois comme un corpuscule et
comme une onde dans le domaine de l'infiniment petit où la mécanique quantique se
substitue à la mécanique classique.
La particule alpha se retrouve dans la situation d'un alpiniste, prisonnier d'un cratère, qui n'a
plus de forces pour gagner le sommet, passer sur l'autre versant et dévaler vers la vallée. La
barrière à franchir figure la compétition entre la colle nucléaire attractive et la répulsion
électrostatique. La particule alpha ne peut pas franchir la barrière car elle ne possède pas
l'énergie nécessaire : elle se trouve soit à l'intérieur, soit à l'extérieur du noyau. Du moins pour la
mécanique classique.
La désintégration alpha du Polonium-212 est
celle qui dégage le plus d'énergie, 8,95 MeV.
Cette désintégration est pourtant interdite
par la mécanique classique. Il est impossible
pour une particule alpha de passer de
l'intérieur du noyau en A à l'extérieur en B.
Elle se retrouve prisonnière au fond d'un «
puits » comme le montre la courbe (en gris)
qui
représente
l'énergie
potentielle
d'interaction entre la particule et le reste du
noyau. Pour aller de A en B, la particule doit
franchir une zone interdite où son énergie
cinétique serait négative. Les zones permises
sont le puits où l'attraction nucléaire
prédomine, et l'extérieur du puits où la
répulsion due à la charge du noyau
l'emporte.
En mécanique quantique, la situation est moins tranchée. L'onde, qui représente une particule
alpha dans le noyau, n'est pas strictement localisée et déborde légèrement de l'autre côté de la
barrière. Il existe une probabilité d'observer la particule en dehors du noyau, là où la colle
nucléaire ne se fait plus sentir. Cette probabilité est extrêmement petite, mais c'est elle qui
permet la désintégration. Pour reprendre l'image de l'alpiniste, l'astuce dont il dispose pour
gagner l'autre versant de la barrière montagneuse et trouver la liberté, est de creuser un tunnel
à travers celle-ci.
Une loi empirique veut que plus la barrière de potentiel est haute, plus l'épaisseur à traverser
est importante et plus le noyau vit longtemps. Ceci explique certaines durées de vie
particulièrement longues.
L'onde associée à une particule alpha
prisonnière à l'intérieur d'un noyau a été
superposée à la figure précédente. On
voit que l'onde déborde légèrement à
l'extérieur du noyau, où l'amplitude des
oscillations a été amplifiée pour les
rendre visibles. Le carré de l'amplitude
des oscillations représente, en mécanique
quantique, la probabilité d'observer la
particule en un endroit donné. Il existe
donc une probabilité d'observer la
particule alpha en dehors du noyau, c'està-dire une désintégration.
7.1.3 Parcours des alpha : un bulldozer atomique très ionisant, le long d'un bref parcours
Une particule alpha, 7300 fois plus lourde
qu'un électron, n'est pratiquement pas déviée
quand elle éjecte des électrons atomiques. Son
trajet est très rectiligne. Elle laisse sur son
passage un sillage d'électrons et d'atomes
ionisés. Il arrive que lors d'un choc très
rapproché, l'électron projeté ionise sur un très
court parcours. Il arrive enfin que la particule
alpha heurte un noyau. Elle est alors déviée à
grand angle. De telles collisions sont rares,
mais c'est ainsi que Rutherford découvrit
l'existence des noyaux.
En raison de leur pouvoir ionisant , le parcours des
particules alpha dans la matière est ultra court. Dans un
milieu dense comme l'eau, les alpha les plus énergiques
comme ceux du polonium-212 ne voyagent guère que
90 microns, moins d'un dixième de millimètre. Une
feuille de papier, l'épaisseur d'un vêtement suffisent
pour les arrêter.
L'encart montre que dans un milieu gazeux, comme l'enceinte d'une chambre à brouillard
saturée de vapeur d'eau, le parcours des alpha ne dépasse pas quelques centimètres. Il est très
facile de s'en protéger quand la source est extérieure.
Ce cliché historique d'une chambre à brouillard de Wilson montre à gauche le trajet des alpha
de 9 MeV émis par une source radioactive de thorium-C (polonium-212). L'aspect de blaireau
est du à ce que les alpha, émis avec la même énergie, ont un parcours bien défini, aucun ne
voyageant plus loin que 11,5 cm.
Le même effet est illustré de façon différente sur la courbe de droite, qui représente en
fonction de l'épaisseur d'air traversée le pourcentage des alpha survivants. Ce pourcentage
reste constant à 100% pour tomber brutalement à 0 au bout de ce parcours.
7.2 Radioactivité Bêta
7.2.1 Définition et caractéristiques générales
Une autre forme de décomposition radioactive consiste en l’émission d’une particule bêta.
On distingue deux types de rayonnement ß : les rayonnements ß+ et les rayonnements ß-.
-La radioactivité ß- est l'émission d'électrons par certains noyaux, cette
émission est accompagnée de celle d'une particule appelée antineutrino
électronique.
La réaction est donc du type :
comme par exemple :
Cette réaction n'est énergétiquement favorable que pour les noyaux
possédant un surplus de neutrons par rapport aux protons.
-La radioactivité ß+ est l'émission de positrons (le positron est une particule de masse égale à
celle de l'électron et de charge électrique opposée) cette émission est accompagnée de celle
d'une particule appelée neutrino électronique.
La réaction est donc du type :
comme par exemple :
Cette réaction survient plutôt pour les noyaux « riches en protons » qui veulent se séparer de
leur surplus.
Rayonnement BETA –
Rayonnement BETA +
Dans ces deux types de radioactivité β, les électrons e- ou les
positons e+ ont un spectre en énergie continu.
Cette particule bêta a une masse seulement de 0,7% de celle de la particule alpha, mais une
vitesse équivalente à 8/10ème de la vitesse de la lumière.
La particule bêta pénètrent donc plus profondément dans les tissus, et des doses de radiation
bêta externes représentent une menace bien plus grande que des doses de particules alpha,
plus lourdes et plus lentes. Les isotopes émettant des radiations bêta sont aussi nocifs que des
émetteurs alpha si introduits dans le corps humain.
C'est Wolfgang Pauli qui résolut l'énigme de l'énergie manquante, en proposant l'existence
d'une troisième particule échappant à la détection : le neutrino. Reprenant l'exemple de la
désintégration bêta du bismuth-210, on a choisi ici la configuration où le noyau de recul,
l'électron et le neutrino possèdent une quantité de mouvement égale. Le noyau de recul étant
400 000 fois plus lourd que l'électron, il emporte une énergie négligeable. Le reste se partage
entre l'électron et le neutrino, représenté comme une particule fantôme : il fallut un quart de
siècle pour qu'une première expérience prouve son existence.
Une cinématique à trois corps
Lors d'une désintégration bêta, l'énergie disponible se partage entre un noyau qui recule, un
électron et un antineutrino. Le noyau étant initialement au repos, la somme des vecteurs
quantités de mouvement des trois corps est nulle (pour le noyau, la quantité de mouvement est
le produit de sa masse par sa vitesse v). On a représenté ici le cas où les trois quantités de
mouvement sont égales en valeur absolue. On voit que l'énergie cinétique (T) et la vitesse du
noyau de recul, très massif, sont négligeables. L'énergie disponible (1,16 MeV dans l'exemple de
la désintégration du bismuth-210) se partage entre les deux particules restantes, dans des
proportions qui varient avec la configuration des quantités de mouvement.
Une distribution de l'énergie à trois corps
Dans une désintégration bêta comme celle d'un noyau de bismuth-210, le partage d'énergie se
fait entre les trois produits de la désintégration. L'un des trois corps, le noyau, beaucoup plus
massif que les deux autres (sa masse est 382 000 fois celle de l'électron), emporte une énergie
négligeable : l'énergie cinétique se partage donc entre l'électron et l'antineutrino. Comme ce
dernier échappe à la détection, on n'observe qu'un électron d'énergie variable. La figure montre
la répartition en énergie caractéristique des électrons bêta - dite spectre bêta -de la
désintégration du bismuth-210.
Energie émise lors des désintégrations BETA
Equivalence masse/énergie lors d’une désintégration BETA -
Equivalence masse/énergie lors d’une désintégration BETA +
7.2.2 La capture électronique, un mode mineur, alternative de la radioactivité bêta-plus
La capture électronique est un mode de radioactivité mineur dû à l'interaction faible. L'exemple
le plus connu est le potassium-40 : 11% des noyaux de cet isotope instable du potassium
présent dans le corps humain se désintègrent par capture électronique.
L'émission d'un positon et la capture
d'un électron sont deux réactions
jumelles qui diminuent toutes deux le
nombre de protons du noyau d'une
unité, de Z à Z-1, et produisent un
neutrino dans l'état final. Le positon
observé dans l'état final de la
désintégration bêta, apparaît dans la
capture électronique sous forme d'un
électron dans l'état initial. Lors du bilan
énergétique, l'énergie de masse du
positon et de l'électron interviennent
pour 0,511 MeV. Ces 511 000
électronvolts sont comptabilisés dans
l'état final dans un cas et dans l'état
initial dans l'autre. La comparaison
montre que la capture économise 1,022
MeV d'énergie par rapport à la
désintégration bêta.
C'est
naturellement
le
cortège
d'électrons entourant le noyau qui
fournit les électrons. La capture s'avère
difficile.
Les
électrons
circulent
relativement loin du noyau - sauf ceux de
la couche la plus interne - alors que les
forces faibles responsables de la capture
sont à très courte portée.
Les forces faibles étant à très courte
portée, cet électron doit entrer en
contact avec un quark d'un proton. La
probabilité qu'un électron, même
appartenant à la couche K la plus interne,
se retrouve dans le noyau est faible (Pour
le potassium-40, le volume du noyau
représente moins d'un milliardième de
celui de la couche K).
Ce mode de désintégration est très discret, car le neutrino qui emporte l'essentiel de l'énergie
libérée est impossible à détecter. Quand au noyau de recul, son parcours ne dépasse pas la
fraction de millimètre. Il reste lui aussi indécelable.
L'événement passerait inaperçu, si le noyau et son cortège électronique ne se réarrangeaient
pas. L'électron capturé appartient généralement à la couche interne. L'atome qui se retrouve
avec un « trou » sur cette couche est perturbé. Il se réarrange en émettant des rayons X que
l'on détecte. La capture peut également laisser le noyau dans un état excité. Elle est alors suivie
par l'émission d'un rayon gamma de désexcitation.
Ce mode de radioactivité est en conséquence difficile à détecter. La capture électronique a été
découverte en 1937 par le physicien américain Luis Alvarez (1911-1988), 40 ans après la
radioactivité bêta-moins et quelques années après la radioactivité bêta-plus.
7.2.3 L'interaction faible à l'origine de la radioactivité bêta et de la capture électronique
La désintégration bêta (β) et la capture électronique modifient la composition en protons et
neutrons d'un noyau, la charge électrique du noyau augmentant ou diminuant d'une unité.
Cette variation de charge est compensée par l'émission d'un corpuscule chargé - un électron ou
un positon - ou plus rarement par la capture d'un électron. Ces transformations sont
accompagnées, autre signature caractéristique, de corpuscules qui échappent à l'observation,
des neutrinos ou antineutrinos.
Les principales forces à l'œuvre dans le noyau, celles attractives qui assurent sa cohésion et
celles répulsives entre charges électriques de même signe, sont incapables de transformer
neutrons en protons et de produire des électrons, des positons, des neutrinos et des
antineutrinos. La Nature à donc recours à un troisième type d'interaction (ce terme est plus
exact que celui de force) pour procéder à des désintégrations bêta ou des captures
électroniques. Cette troisième interaction est appelée interaction faible.
Cette troisième interaction est dite faible car les désintégrations bêta qui en sont la
manifestation la plus visible sont des transformations lentes qui ont du mal à se produire. Les
temps de vie des noyaux instables sont extrêmement variables (un quart d'heure pour un
neutron libre, une semaine pour l'iode-131, trente ans pour le césium-137, un milliard
d'années pour le potassium-40), mais tous ces temps, y compris le quart d'heure du neutron,
sont très longs pour les horloges nucléaires.
La première théorie de la désintégration bêta a été formulée en 1934 par le grand physicien
italien Enrico Fermi, à une époque ou l'existence des quarks n'était pas soupçonnée et celle des
neutrinos seulement une hypothèse. Depuis les années 1970, on sait que lorsqu'un nucléon
change de nature (neutron ou proton) c'est qu'un de ses constituants (quark down ou up) se
transforme d'une espèce dans l'autre. C'est au niveau de ces corpuscules élémentaires
qu'intervient l'interaction faible.
Les désintégrations bêta des noyaux sont la
conséquence de transformations qui se
produisent à des niveaux plus élémentaires.
Par exemple, le passage d'un noyau de
tritium à l'hélium-3 est provoquée par la
transformation d'un des deux neutrons du
tritium en proton (A). La transformation du
neutron en proton (B) est elle même le
résultat
d'une
transformation
des
corpuscules élémentaires qui constituent la
matière nucléaire, les quarks. Les neutrons
contenant deux quarks down et un quark
up et les protons l'inverse (deux up et un
down), c'est la mutation (C) d'un quark
down en quark up qui est à l'origine de la
mutation d'un neutron en proton, donc de
la désintégration bêta du tritium.
Dans le cas de la désintégration bêta-moins le mécanisme est le suivant. Un quark down d'un
neutron, dont la charge électrique vaut -e/3, émet assez fréquemment une charge électrique
négative -e. Sa charge passe à +2e/3. Il est devenu un quark up. En général, le quark up
réabsorbe immédiatement la charge négative et redevient de quark down. La charge négative
brièvement émise puis réabsorbée est portée par une particule appelée « boson W-moins ». Or,
cet objet est instable et peut se désintégrer en électron et antineutrino. Si le boson se désintègre
durant l'instant extraordinairement bref qui s'écoule entre son émission et sa réabsorption, une
désintégration bêta-moins s'est produite.
Ce mécanisme s'explique dans le
cadre de la mécanique quantique.
C'est le principe d'incertitude de
Heisenberg qui autorise un quark à
émettre et à réabsorber un objet
beaucoup plus massif que lui, le boson
W. L'existence de cet intermédiaire
fugitif, dont les propriétés avaient été
prédites par la théorie à la fin des
années 1960, a été confirmée
expérimentalement en 1983.
On doit au grand physicien allemand Werner Heisenberg (1901-1976) d'avoir formulé en 1927
le principe quantique d'incertitude. Il n'avait que 26 ans ! Ce principe explique en particulier
comment une particule peut changer de nature pendant un temps très court, temps durant
lequel son énergie ne peut être définie avec certitude. Dans le cas de la transformation d'un
quark down en quark up accompagné d'un boson W, le principe d'incertitude permet de chiffrer
cette durée à 10-26 s. Un temps extraordinairement court au bout duquel le boson W est
normalement réabsorbé par le quark qui redevient "down". Cependant durant cet instant, le
boson W possède une très faible probabilité de se désintégrer en électron et antineutrino. Ce
mécanisme est à l'origine de la radioactivité bêta.
7.2.4 Parcours des bêta : un parcours court et chaotique
Le parcours d'un électron bêta émis par un
noyau est chaotique. Comme une particule
alpha, il se ralentit par ionisation, mais
contrairement à cette dernière, il lui arrive
assez souvent de subir des déviations à grand
angle dues à sa faible masse lors de chocs
contre des noyaux et parfois des électrons
atomiques. Une fois ralenti, l'électron se fond
dans la foule des autres électrons : il s'intègre
par exemple, comme sur la figure, au cortège
électronique d'un atome.
Le parcours d'un positon émis par un noyau
commence comme celui d'un électron. Il se
ralentit par ionisation et sa trajectoire subit une
série de déviations à grand angle lors de collisions
avec des noyaux. Finalement, le positon, lorsqu'il
est très ralenti, disparaît lors d'une réaction
d'annihilation avec un électron atomique. Le
positon et l'électron qui sont antiparticules l'une
de l'autre sont totalement détruits. L'énergie
libérée est 2 fois l'énergie de masse de l'électron.
Elle est emportée par deux photons gamma de
511 000 électronvolts, émis dos à dos.
7.3 Rayonnement Gamma
Dans certains processus de décomposition radioactive de type alpha ou bêta, le noyau-fils est le
plus souvent formé dans un état instable, d’énergie plus élevée que celle de l’état fondamental.
Le noyau-fils se désexcite alors en libérant l’excédant d’énergie sous forme de rayonnement
gamma. L’émission de particule consiste donc en un photon sans masse se déplaçant à la vitesse
de la lumière.
Le noyau conserve son « identité », et on parle de désexcitation plutôt que de radioactivité.
Néanmoins, par tradition, on appelle volontiers radioactivité γ ces types de désintégrations
résultant d'un état excité lui-même produit par une radioactivité de type α ou β. Si l'état excité
possède une période appréciable, on parle d'un isomère. Dans certains cas, on le compte
presque comme un nucléide à part entière.
Les rayons gamma sont similaires aux photons des rayons X, mais bien plus pénétrants
(plusieurs centimètres de béton). Elles peuvent causer de gros dommages au corps humain.
Le rayonnement gamma accompagne souvent les
désintégrations ALPHA ou BETA, ainsi que les processus de
fission.
Emission de gamma en cascade
La radioactivité gamma accompagne généralement les radioactivités bêta et alpha, comme le
montre l’exemple du Cobalt-60. Ce noyau se désintègre par radioactivité bêta en un noyau de
nickel-60 stable avec une période de 5,271 ans. La transformation, accompagnée de l’émission
d’un électron et d’un antineutrino, aboutit neuf cent quatre-vingt dix neuf fois sur mille à un état
excité du nickel-60. Le noyau perd les 2158,80 keV de son énergie d’excitation en émettant un
premier photon gamma suivi d’un second. L’émission des deux photons suit de très près celle de
l’électron et de l’antineutrino. L’énergie de masse de l’atome de Nickel-60 a été prise comme
zéro de l’échelle d’énergie.
Parcours des gamma : un rayonnement pénétrant que l'on atténue ...
L'effet des rayons gamma est très différent de celui de particules chargées. Alors que les rayons
alpha et bêta déposent leur énergie progressivement, les photons gamma procèdent par tout
ou rien. Ils ne produisent aucun effet avant d'interagir avec un noyau ou un électron. Quand ils
interagissent, ils mettent en mouvement des particules chargées. Ce sont elles qui déposeront
l'énergie dans la matière.
Les photons déposent leur énergie dans la
matière en transmettant leur énergie à des
particules chargées. Ce photon gamma a été
produit au point A, lors d'une collision d'une
particule provenant d'un grand accélérateur.
Après avoir voyagé sans interagir, le gamma se
matérialise au point B en transmettant son
énergie à un électron et à un positon. La
présence d'un champ magnétique intense
courbe en sens inverse la trajectoire des deux
particules. Celles-ci perdent leur énergie en se
ralentissant et spiralent avant de s'arrêter.
Cette cascade d'évènements est observée dans
une « chambre à bulles ». Beaucoup moins
énergiques,
les
photons
issus
des
désintégrations
radioactives
déposent
également leur énergie par particules
interposées.
L'effet photoélectrique, mode d'interaction
privilégié des photons de faible énergie avec la
matière, concerne également les photons
gamma. Le gamma percute un électron d'une
orbite atomique interne. L'électron est alors
expulsé, le photon absorbé. L'expulsion est suivie
d'un réarrangement du cortège électronique de
l'atome, des électrons appartenant à des orbites
plus externes venant prendre la place de
l'électron expulsé. Ces sauts d'orbites
s'accompagnent de l'émission de photons de
fluorescence (dont des rayons X) qui n'ont pas
été représentés sur la figure.
Mode d'interaction privilégié avec la matière
pour des photons gamma d'énergie
moyenne, l'effet Compton ressemble à l'effet
photoélectrique, avec cette différence que
l'électron qui a absorbé le photon initial,
émet un autre photon d'énergie moindre.
L'effet Compton devient prépondérant
quand l'énergie du photon devient très
supérieure à l'énergie de liaison de l'électron
qui subit la collision. Il doit son nom au
physicien américain, Arthur Compton.
Le troisième mode d'interaction des photons
gamma est la création d'une paire de
particules, un électron et son antiparticule, un
positon. Cette production ne s'observe qu'au
dessus d'une énergie seuil de 1,02 MeV,
énergie requise par la relation d'Einstein pour
créer la masse d'un électron et d'un positon.
La plupart des photons gamma issus des
désintégrations radioactives n'atteignant pas
cette énergie seuil, la production de paires ne
concerne que la tranche des gamma les plus
énergétiques. Les photons gamma de haute
énergie se matérialisent principalement en
passant à proximité de la charge électrique des
noyaux avec lesquels ils interagissent.
Processus radioactifs
Pouvoir pénétrant des
rayonnements
Mise en évidence des différents types de radioactivité
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/radioa7.swf
Un isotope peut se désintégrer spontanément de plusieurs façons
8 Loi de décroissance radioactive
8.1 Caractère aléatoire d’une désintégration radioactive
Un noyau instable est susceptible de revenir à l’état stable à tout moment : le phénomène de
désintégration est aléatoire. Le phénomène de désintégration est imprévisible. Pour un noyau
instable donné, on ne peut prévoir la date de sa désintégration
En revanche, on connaît la probabilité de désintégration de ce noyau par unité de temps. La
probabilité qu’a un noyau radioactif de se désintégrer pendant une durée donnée est
indépendante de son âge. Elle ne dépend que du type de noyaux considéré. Un noyau de
carbone 14 apparu, il y a mille ans et un autre formé, il y a 5 min ont exactement la même
probabilité de se désintégrer dans l’heure qui vient (un noyau ne vieillit pas).
Le caractère aléatoire de la désintégration fait que pour un ensemble de noyaux instables
identiques, on ne peut prévoir lesquels seront désintégrés à une date donnée, mais on peut
prévoir combien de noyaux seront désintégrés. On peut prévoir avec précision l’évolution
statistique d’un grand nombre de noyaux radioactifs.
C’est un phénomène sur lequel il est impossible d’agir. Il n’existe aucun facteur permettant de
modifier les caractéristiques de la désintégration d’un noyau radioactif.
8.2 La constante radioactive
Chaque nucléide radioactif est caractérisé par une constante radioactive λ, qui est la
probabilité de désintégration d’un noyau par unité de temps.
La constante radioactive s’exprime en s –1.
La constante λ ne dépend que du nucléide. Elle est indépendante du temps, des conditions
physiques et chimiques.
Pendant la durée Δt, la probabilité pour qu’un noyau se désintègre est λ.Δt
8.3 Loi de décroissance radioactive
Considérons un échantillon contenant N(t) noyaux radioactifs à la date t.
A la date t + Δt très proche de t, le nombre de noyaux radioactifs a diminué.
Pendant l’intervalle de temps Δt très court, on peut considérer que le nombre de noyaux ayant
subi une désintégration est : λ.Δt.N.
La variation ΔN du nombre N de noyaux pendant la durée Δt est donnée par la relation :
ΔN = - λ.Δt.N
soit :
ΔN + λ.Δt.N = 0 (1)
Divisons l’expression (1) par Δt, il vient :
Lorsque Δt → 0, l’expression (2) s’écrit :
La solution de cette équation différentielle du premier ordre donne la loi de décroissance
radioactive :
N (t) = N 0 e - λ t
-
N 0 représente le nombre de noyaux présent à la date t 0 = 0
N(t) représente le nombre de noyaux radioactifs présents à la date t
λ est la constante radioactive s –1.
8.4 Demi-vie
Pour un type de noyaux radioactifs, la demi-vie t½ est la durée au bout de laquelle la moitié des
noyaux radioactifs initialement présent dans l’échantillon se sont désintégrés. La demi-vie n’a
qu’une valeur statistique. Elle indique qu’un noyau radioactif a une chance sur deux de
disparaître au bout d’une demi-vie.
Relation entre t½ et λ :
Au temps t :
N (t) = N 0 e - λ t
Au temps t + t1/2 :
N (t + t 1/2) = N 0 e - λ (t + t ½)
En conséquence :
Voici quelques données complémentaires à ce sujet :
la période radioactive ne dépend pas de la masse de matière considérée
chaque radionucléide pur a une période parfaitement connue ; sa valeur peut
aller de moins d'un millième de seconde (par exemple le polonium 214 : 0,16
ms) à plusieurs milliards d'années (par exemple l'uranium 238 : 4,5 milliards
d'années) en passant par toutes les valeurs intermédiaires (iode 131 : 8 jours ;
césium 137 : 30 ans ; plutonium 239 : 24000 ans ; uranium 235 : 7 millions
d'années ; etc.)
si la substance est un mélange, on prend, comme valeur de la période
radioactive, la plus longue parmi celles de tous les radionucléides présents
un radionucléide se transforme, par désintégration, en un autre noyau que
l'on appelle « produit de filiation » ; ou bien ce noyau de filiation est stable, ou
bien il est lui aussi radioactif et se désintègre à son tour... et ainsi de suite
jusqu'à ce que se forme un noyau stable
un noyau initial à vie courte peut très bien avoir des produits de filiation à vie
longue : c'est alors la période de ces derniers que l'on retient.
Notion de demi-vie
Carte des périodes des noyaux
Cette carte des noyaux montre la gamme extraordinairement étendue des durées de vie. On
trouve au centre, le long de la ligne coloriée en noir, les noyaux stables ou ceux dont la période
dépasse le milliard d'années. À l'inverse, les noyaux vivant une d'un fraction de seconde
(coloriés en rouge) sont situés en bordure du diagramme ou dans un groupe de noyaux lourds
très instables autour de 130 neutrons et 85 protons (appelé le trou alpha). On trouve au-delà,
un îlot de relative stabilité (en mauve) comprenant des noyaux plus stables dont la durée de vie
s'échelonne entre un an et quelques milliards d'années. Les deux noyaux naturels les plus
lourds, le Thorium-232, et l'uranium-238, sont les points noirs isolés dans l'îlot.
8.5 Courbe de décroissance et constante de temps τ.
La constante de temps, notée τ est l’inverse de la constante radioactive. Elle s’exprime en
seconde s.
Expression :
On peut obtenir la valeur de la constante de temps τ à partir de la loi de décroissance.
Si l’on se place au temps t = 0 :
En conséquence, la tangente à la courbe N (t) = N 0 e - λ t à l’instant initial rencontre l’axe des
abscisses à la date τ.
Exemples :
Illustration de la décroissance radioactive
http://scphysiques.free.fr/animations/anims/nucl/des.swf
8.6 Activité d’un échantillon radioactif.
L’activité A(t) d’un échantillon radioactif à la date t est le nombre de désintégrations par
seconde de cet échantillon.
L’unité d’activité est le Becquerel (Bq) en hommage à Henri Becquerel.
1 Bq = 1 désintégration par seconde.
Si l’on considère qu’entre t et t + Δt, le nombre de noyaux radioactif a diminué de ΔN, et
l’activité est donnée par la relation :
Ceci représente l’activité moyenne.
Pour avoir l’activité à un instant donné, il faut faire tendre Δt → 0.
En conséquence :
Si l’on pose A 0 = λ . N 0 on a :
A (t) = A 0 e - λ t
La décroissance de l’activité suit la même loi
que la décroissance du nombre de noyau
radioactif d’un échantillon.
Le terme demi-vie ne signifie pas que l’activité d'un isotope
radioactif est nulle au bout d'un temps égal à 2 demi-vies, puisque
l'activité est alors réduite seulement à 25% de l’activité initiale (voir
le tableau de décroissance de l'activité).
En réalité, l'activité A vaut, après n demi-vies :
si bien que l'activité n'est jamais mathématiquement nulle.
En résumé…
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/radioactivite/le-becquerel
Ordre de grandeur des activités :
1 kg d'eau de pluie : de l'ordre de 1 Bq (radioactivité naturelle)
l’eau de mer a une activité de l’ordre de 10 Bq par litre.
1 kg de sol granitique : de l'ordre de 10 000 Bq (radioactivité naturelle)
le Radon, présent dans l’air, à l’état de trace, a une activité de quelques centaines de Bq
un être humain de 70 kg a une activité de l'ordre de 8000 Bq dont 5000 dus au potassium 40
1 kg de minerai d'uranium : de l'ordre de 100 000 Bq (radioactivité naturelle)
les sources radioactives, utilisées au laboratoire, ont une activité comprise entre 4 x 10 4 Bq et
4 x 10 7 Bq.
l’activité d’un gramme de radium est supérieure à 10 10 Bq.
1 kg de combustible usé venant d'être déchargé* : 100 000 000 000 000 Bq
On utilise aussi le curie comme unité de radioactivité :
1 Ci = 3,7 x 10 10 Bq
Le Becquerel
Le becquerel : une unité très petite
L’unité d’activité la plus utilisée, le becquerel, correspond à une désintégration de noyau par
seconde. Cette unité à l’échelle de l’atome est si petite et si inadaptée pour décrire l’activité de
substances radioactives que l’on a recours généralement à des multiples: , kilo, méga (million),
giga (milliard), terabecquerel (mille milliards), etc. La figure montre à quel point la gamme des
activités, allant de celle du litre d’eau à celle du combustible usé d’un réacteur, est étendue.
Des unités historiques comme le curie ou le millicurie ont été inclues dans cette gamme.
9 La radioactivité autour de nous
Qu'elle soit naturelle ou artificielle, qu'elle provienne du Soleil, du cosmos ou des
activités humaines, la radioactivité est présente autour de nous, en tous lieux, en tout
temps.
Les réactions thermonucléaires produites au cœur du Soleil fusionnent, par des
phénomènes de catalyse variés, 4 protons en un noyau d'hélium. Cela n'est possible que
grâce à la radioactivité b qui permet de muer un proton (p) en un neutron (n).
Les particules cosmiques très énergétiques provenant de notre Galaxie ou même d'autres
galaxies interagissent avec les atomes présents dans la haute atmosphère et donnent
naissance à de nombreux éléments radioactifs, comme le 14C, qui ensuite, par des
phénomènes de convections souvent complexes, se retrouvent dans notre
environnement et même dans notre corps, ce qui implique que chaque être vivant est luimême le siège d'une certaine radioactivité.
La radioactivité autour de nous
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/radioactivite/la-radioactivite
10 La radioactivité naturelle
Les noyaux radioactifs présents depuis la formation de l’Univers :
L’uranium 238 (t 1/2 = 4,5 x 109 ans),
Le potassium 40 (t 1/2 = 1,35 x 109 ans),
L'uranium 235 (t 1/2 = 7,04 x 108 ans),
Leur durée de demi-vie est très longue par rapport à l’âge de la Terre (4,5 milliards d’années).
On les trouve encore de nos jours.
Les radionucléides de durée de demi-vie courte. Ce sont les noyaux fils des noyaux précédents :
Le radium 226 : t 1/2 =1 622 ans ,
Le radon 222 : t 1/2 = 3,82 j
Le plomb 214 : t 1/2 = 3,05 min.
Les radionucléides formés par impact : impact d’un noyau stable avec une particule cosmique
ou issue de la désintégration :
Le carbone 14 est radioactif, sa durée de demi-vie : t 1/2 = 5568 ± 30 ans
10.1 Une Source naturelle de rayonnements ionisants : le rayonnement cosmique
On appelle rayonnement cosmique un flux de particules (principalement des protons) dotées
d’une énergie très élevée, de l’ordre du GeV. Il est d’origine solaire ou galactique. Ces protons de
haute énergie entrent en collision avec les noyaux des atomes de l’atmosphère et créent des
fragments eux-mêmes dotés d’une énergie élevée (protons, neutrons, muons, neutrinos,
mésons, …).
Sources du rayonnement cosmique reçu sur terre
Le débit d’équivalent de dose dû aux rayonnements cosmiques est en moyenne de 0,3 mSv/an
au niveau de la mer. Mais il varie considérablement en fonction de l’altitude et de la latitude
(voir le tableau ci-dessous).
Cela a pour conséquence que certaines populations subissent une exposition plus importante
que la moyenne. Le tableau ci-dessous donne les équivalent de dose reçues par les
populations de villes situées en altitude.
Rayonnements cosmiques
Expositions subies par des membres d'équipages pour 1000 heures de vol sur un certain nombre
de routes aériennes.
A titre de comparaison sont indiqués les seuils recommandés d'exposition annuels pour le public,
pour les travailleurs exposés et pour les femmes enceintes. Ces limites n'incluent pas les
expositions dues à la radioactivité naturelle et à la médecine.
Routes polaires : une exposition plus forte près des pôles
Le bouclier de l'atmosphère
Les couches d'air de l'atmosphère offrent une protection contre les rayonnements cosmiques qui
diminue avec l'altitude et dépend de la route suivie. Pour les avions commerciaux qui volent à 10
km d'altitude, la dose reçue varie de 0, 005 mSv à 0,007 mSv selon que la route suivie par l'avion
ne passe pas ou passe par les pôles. A 18 km d'altitude la dose est environ doublée. Pour un
astronaute habitant une station spatiale à 400 km d'altitude, le débit de dose atteint 0,040 mSv
par heure, si bien que deux jours et demi en orbite suffisent pour qu'il soit exposé à la dose
annuelle de radioactivité naturelle au sol (2,4 mSv)
10.2 Une application de la radioactivité naturelle : la datation au carbone 14
Le carbone (C) possède 15 isotopes connus, de nombre de masse variant de 8 à 22, dont deux
stables, 12C et 13C. En moyennant selon l'abondance naturelle de ces deux isotopes, la masse
atomique standard attribuée au carbone est de 12,0107(8) u.
Le radiosisotope le plus stable est le carbone 14, avec une demi-vie de 5 700 ans, seul radioisotope présent dans la nature, formé à l'état de trace cosmogéniquement par la réaction 14N +
1n → 14C + 1H. Le second radioisotopes le plus stable est ensuite 11C, avec une demi-vie de
20,334 minutes. Tous les autres radioisotopes ont une demi-vie inférieure à 20 secondes, et la
plupart d'entre eux inférieure à 200 millisecondes, le plus instable étant 8C, avec une demi-vie
de 2,0 x 10−21 s.
Cette méthode est fondée sur l’utilisation de la loi de décroissance radioactive de l’isotope 14
du carbone,
radioactif β -.
La demi-vie du carbone 14 est fixée de façon conventionnelle à t
admise en 1950).
1/2
= 5568 ± 30 ans (valeur
Le carbone 14 est présent dans l’atmosphère.
Il est régénéré par une réaction nucléaire faisant intervenir des neutrons cosmiques et des
noyaux d’azote 14 :
La proportion de carbone 14 par rapport au carbone 12 est de l’ordre de 10 –12.
Il en est de même dans le dioxyde de carbone atmosphérique.
On fait l’hypothèse que cette proportion est à peu près constante à l’échelle de quelques
dizaines milliers d’années.
Tous les organismes vivants échangent du dioxyde de
carbone avec l’atmosphère, soit directement, via la
photosynthèse, soit indirectement via l’alimentation. Les
tissus fixent l’élément carbone.
La proportion de carbone 14 par rapport au carbone 12
est la même que la proportion atmosphérique.
A leur mort, les organismes cessent de fixer l ‘élément
carbone et le carbone 14 n’est plus régénéré.
La quantité de carbone 14 présent dans les tissus
diminue alors selon la loi de décroissance radioactive.
Le temps de demi vie du 14C est de 5580
ans avec une marge d'erreur de +/- 30
ans. C'est le temps que met une masse de
carbone 14 pour être désintégrée en azote
et réduite de moitié. Donc si l'on stocke 60
g de cet isotope radioactif, après 5580 ans,
il n'en restera plus que 30g, le reste
s'étant désintégré en atomes d'azote et en
électrons.
L’activité radioactive A 0 d’un organisme vivant due au carbone 14 est égale à t 1/2 = 814 ± 4 Bq
pour un échantillon de 1 g.
En mesurant à un instant t l’activité A (t) d’un échantillon organique mort, de masse connue,
on peut déterminer son âge :
La quantité de carbone 14 restant dans un échantillon est encore mesurable jusqu’à 50 000 ans
environ.
10.3 Radioactivité tellurique et radon
Formés dans le cœur des premières étoiles, les éléments radioactifs les plus stables, ceux à
très longue demi-vie (plusieurs dizaines de millions d’années) faisaient partie du nuage de
poussières stellaires qui a permis la formation du système solaire. Ils ont été intégrés à la
croûte terrestre de la Terre.
Les éléments de périodes de quelques dizaines de millions d’années ne sont plus détectables
aujourd’hui, mais ceux de périodes supérieures, notamment ceux ayant des périodes de l’ordre
du milliard d’années ou plus sont toujours très actifs, soit directement, soit à travers les
désintégrations successives de leurs sous-produits :
Uranium 238 (4,5 milliards d’années) : la moitié des atomes incorporés dans la croûte
terrestre à la formation de la Terre a aujourd’hui disparu. En moyenne 3 grammes par
tonne dans le sol. Avec une activité de 12 320 Bq par gramme pour de l’Uranium naturel
pur, cela équivaut à une activité d’environ 40 Bq par kg de terre.
Potassium 40 (1,25 milliards d’années) : il reste moins de 20% des atomes datant de
l’origine de la terre. Teneur de quelques g par tonne dans le sol. Avec une activité de
236 000 Bq par gramme de Potassium pur, cela équivaut à une activité de 708 Bq par tonne
de terre.
Thorium 232 (14 milliards d’années) : moins de 15% du Thorium datant des origines de la
terre a disparu, ce qui explique une plus grande abondance. Teneur actuel dans le sol, 12
grammes par tonne environ. Avec une activité de 4 000 Bq par gramme de Thorium pur,
cela équivaut à une activité de 48 Bq par kg de terre.
Une grande partie de la radioactivité naturelle provient des radioéléments de trois grandes
« familles ». Une famille est constituée d'un élément père et d'une série de descendants
obtenus d'un parent par une désintégration de type alpha ou bêta. La filiation radioactive
s'arrête sur un nucléide stable. La première famille démarre avec 238U et se termine au
206Pb, la deuxième a pour père 235U et s'achève au 207Pb, et la dernière commence avec
232Th et finit sur le 208Pb.
Les périodes des pères sont beaucoup plus grandes que celles des fils et, avec le temps, il
s'établit un « équilibre » tel que tous les descendants possèdent la même activité. C'est un
peu comme si un grand réservoir d'eau (le père) se déversait dans une série de réservoirs
de taille variable (les fils) avec un débit constant (l'activité) de façon que chaque réservoir
se vide au même rythme qu'il se remplit ; le réservoir final (noyau stable) grossit au fil du
temps.
Cette radioactivité naturelle est responsable de la chaleur interne du globe et donc du
volcanisme. C'est elle qui alimente nos ballons gonflés à l'hélium. Elle est aussi présente
dans les roches ; ainsi le 226Ra contenu dans le granit rend les maisons construites avec ce
matériau radioactives et alimente notre air avec un gaz inerte 222Rn particulièrement nocif.
Les activités humaines produisent aussi de nombreux éléments radioactifs, de tous types et
de toutes périodes. Il y a bien sûr les déchets des centrales nucléaires, les résidus des
explosions des bombes, mais aussi tous les radio-isotopes produits dans les laboratoires de
recherche et dans les hôpitaux.
Familles radioactives « naturelles » : 238U, 232Th, 235U et famille radioactive artificielle de
237Np.
Sur les trois premières familles, on a fait figurer, à côté du nom actuel de l'élément, le nom
ancien qui fut attribué au moment des découvertes sur les radioéléments naturels.
Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de numéro
atomique 86. C'est un gaz rare, radioactif, d'origine naturelle, qui est principalement formé par
la désintégration du radium. Son isotope le plus stable est le 222Rn qui a une demi-vie de 3,8
jours et est utilisé en radiothérapie.
Gaz inerte, le radon est le plus « lourd » (le plus dense) des gaz rares (en ne prenant pas en
compte l'ununoctium). Dans les conditions normales de température et de pression, le radon
est un gaz monoatomique d'une masse volumique de : 9,73 kg/m3.
C'est l'un des gaz les plus « lourds » (denses) à température ambiante, pratiquement 8 fois la
densité de l'air.
Il existe 34 isotopes de radon connus jusqu'à ce jour.
Seuls 3 de ces isotopes se rencontrent dans la nature :
L'isotope le plus stable est le radon 222 qui est le produit (produit fils) de la désintégration du
radium 226 de la série de l'uranium 238. Il a une demi-vie de 3,823 jours et émet des particules
alpha.
Le radon 220 est le produit naturel de la désintégration du thorium et est appelé « thoron ». Il
a une demi-vie de 55,6 secondes et émet aussi des rayons alpha.
Le radon 219 est dérivé de l'actinium, est appelé « actinon ». Il provient de la série de
l'uranium 235. Il émet des particules alpha et a une demi-vie de 3,96 secondes.
Le radon, un descendant de l’uranium 238
La croûte terrestre contient 3 grammes
d’uranium 238 par tonne de terre. Le radon,
élément gazeux, se dégage du sol. Il est
émetteur α (demi-vie 3,8 jours) et possède des
descendants solides, émetteurs alpha et bêta à
vie courte qui peuvent se déposer.
Inhalé, il émet donc, par l’intermédiaire de ses
descendants (ou produits de filiation) des
particules α qui se déposent dans les poumons, à
l’intérieur du corps.
Série de l’uranium 238, dont est issu le radon
La descendance du radon
Le radon se désintègre en donnant successivement dans un cours délai des atomes de
Polonium-218, Plomb-214, Bismuth-214 et Polonium-214. Ces quatre descendants peuvent
être inhalés. Du fait de sa très courte période (16 ms), le Polonium-214 ne parvient pas dans les
poumons par inhalation, mais les trois autres peuvent s’y fixer et s’y désintégrer jusqu’au
Plomb-210. Le plomb-210, terminus de cette filiation, est lui-même radioactif mais sa période
de 22 ans est beaucoup plus longue. Sa concentration (et celle de ces descendants) reste très
faible et son activité négligeable.
Du sol aux poumons
Le radon qui sort du sol sous forme d’une émanation gazeuse se transforme dans un délai de
l’ordre d’une heure en un isotope du plomb, le plomb-210. Durant cette transformation, il
passe par des noyaux intermédiaires dont les atomes de nature métallique peuvent se déposer
dans les poumons si le gaz et ses descendants sont respirés. Deux de ces noyaux
intermédiaires, le polonium-218 et le polonium-214 émettent des rayons alpha, les plus nocifs
pour les cellules du vivant quand ils sont à leur contact.
Dans certaines régions dites « à risques », le radon peut s’infiltrer dans les habitations et s’y
accumuler.
Le radon fait partie des polluants intérieurs de nos habitations mais il est souvent ignoré.
Pourtant, le radon serait la deuxième cause de cancer du poumon après le tabac.
Le radon est inodore, ne provoque ni toux, ni nausées. Sa présence dans un bâtiment ne peut
être décelée qu’à l’aide d’un détecteur approprié.
Le niveau de concentration en radon se mesure en Bq/m3 (becquerel par m3). Les autorités
européennes recommandent de ne pas dépasser une valeur de 200 Bq/m3 pour les habitations
construites à partir de 1990 et une valeur de 400 Bq/m3 pour les habitations construites avant
1990.
Le radon pénètre dans une maison lorsque son interface
avec le sol n’est pas suffisamment étanche. Si la pression
régnant à l’intérieur de la maison est inférieure à la
pression extérieure, le radon est « aspiré » dans les locaux.
Exposition au radon
L’exposition à la radioactivité du radon est exprimée en becquerels par mètre cube (Bq/m3). Le
risque peut varier dans de très grandes proportions. Le radon est un gaz lourd qui à tendance à
s’accumuler dans des fonds de vallée, des trous et des caves. Emanation de matériaux qui
contiennent de l’uranium, il s’échappe du granit et de roches volcaniques. Les endroits les plus
exposés sont les galeries des mines d’uranium.
Si statistiquement le Radon peut se désintégrer lorsque nous le respirons, ce n’est pas là le
plus grand danger qu’il représente. Le Radon étant un gaz neutre, il interagira peu avec nos
cellules lors d’une inhalation et sera assez rapidement rejeté. Avec environ 5 litres d’air dans
nos poumons, l’activité est extrêmement faible (0,45 Bq pour une pièce avec un niveau de 90
Bq/m3).
Le vrai danger du Radon provient de ses sous-produits (Polonium, Plomb, Bismuth) qui restent
pour une grande partie en suspension d’en l’air ou se déposent sur les murs, les meubles, etc. :
Ils peuvent alors être inhalés ou absorbés. Comme ce ne sont pas des éléments neutres
chimiquement comme le Radon, ils peuvent être intégrés et s’accumuler dans nos cellules, de
façon plutôt localisée dans certains organes (poumons).
Leur demi-vie étant courte (voire très courte) pour la plupart d’entre eux, ils risquent d’autant
d’ioniser les constituants de ces cellules et de les endommager.
Le radon en France, présent surtout dans les zones granitiques (Massif
central et Bretagne)
Répartition géographique des concentrations moyennes en radon relevées à l’intérieur des
habitations en Belgique. (Source : Agence Fédérale de Contrôle Nucléaire – Bruxelles)
Le sud du pays est plus exposé que le nord. En effet, la concentration moyenne pour la Flandre
est de 40 Bq/m3 contre 80 Bq/m3 pour la Wallonie. C’est surtout dans la région de l’Ardenne que
les valeurs les plus élevées ont été enregistrées.
10.4 Le corps humain est radioactif
Le corps humain est le centre de plusieurs centaines de millions de désintégrations BETA
quotidiennes, notamment liées au Potassium 40 qui à lui seul réalise environ 380 millions de
désintégrations par jour !
Le Potassium 40 a une demi-vie de 1,248 milliards d’années et il peut paraître étonnant qu’avec
des durées aussi longues on rencontre autant de désintégrations par jour (plus de 4 000 par
seconde) :
Utilisation du potassium dans le corps humain : tout comme l’oxygène ou le carbone, le
potassium est un des éléments chimiques les plus importants pour le bon fonctionnement de
notre métabolisme. Notre organisme ne fait aucune différence entre un isotope stable ou non
du Potassium : ils ont tous globalement les mêmes propriétés chimiques. Un isotope instable
sera donc utilisé par nos cellules de la même façon qu’un isotope stable.
Potassium présent dans le corps humain : environ 140 grammes, ce qui représente 25,4 x 1023
atomes (2,5 millions de milliards de milliards d’atomes !)
Abondance de l’isotope Potassium 40 : dans la nature, un atome de Potassium sur 10 000 est
du Potassium 40. Il doit donc y en avoir environ 25,4 x 1019 dans le corps humain.
La demi-vie du Potassium 40 est de 1,248 milliards d’années : la moitié des atomes de
Potassium 40 du corps humain subiront une désintégration pendant cette période. Son activité
est de 258,5 désintégrations par seconde pour un gramme
Au final : par seconde, ce sont bien 4 000 désintégrations par seconde qui se produisent dans
notre corps.
Le Potassium 40 n’est pas le seul élément du corps humain à subir ces désintégrations, mais il
est le plus actif.
Le Carbone 14, isotope radioactif du carbone, un autre des éléments essentiels pour le
fonctionnement de notre métabolisme, subit presque le même nombre de désintégrations par
seconde bien qu’il soit un million de fois moins présent dans le corps humain, tout simplement
car sa demie vie est également un million de fois plus courte.
10.5 Éruptions volcaniques et éléments radioactifs
Les éruptions volcaniques sont également de grands pourvoyeurs dans l’atmosphère d’isotopes
radioactifs issus du sol. Une fois retombés, ils peuvent ensuite se retrouver dans le sol à
nouveau, dans la végétation ou dans les nappes phréatiques.
Radioactivité et éruptions volcaniques
11 Radioactivité artificielle
L'activité humaine est une autre source majeure de
rayonnements ionisants. Principalement, pour 29 % du
total des expositions humaines à la radioactivité, par les
activités médicales : production de radionucléides par
cyclotron (pour les scintigraphies et TEP par exemple). Le
reste, représentant 3 % du total des expositions
humaines, est produit, par ordre d'importance, par :
diverses industries minières, centrales au charbon ;
l'armée : retombées d'essais nucléaires, bombes
nucléaires ;
l'énergie nucléaire civile (0,3 % du total des
expositions) : émissions, fuites et production de
déchets radioactifs ;
accidents : catastrophe nucléaire de Tchernobyl,
Accident nucléaire de Fukushima ;
la recherche : recherche en physique des particules
(par exemple au CERN en Suisse ou au GANIL en
France).
C'est l'imagerie médicale au moyen de rayons X qui produit la plus grande part de l'exposition
artificielle aux rayonnements ionisants. On ne parle cependant pas de radioactivité car les
rayons X ne sont pas issus de réactions nucléaires mais d'excitation électronique de l'atome.
Rejets de déchets nucléaires en mer
Les océans sont contaminés de façon relativement homogène par les retombées des essais
atmosphériques d'armes nucléaires. Les mers peu profondes et les estuaires subissent une
contamination plus prononcée du fait des rejets des usines de traitement des combustibles
irradiés de Sellafield (Grande-Bretagne) pour la mer d'Irlande et de La Hague (France) pour la
Manche. Ces rejets sont en nette diminution depuis plus de 10 ans.
En rouge : les pays qui possèdent officiellement des armes nucléaires.
En noir : les pays suspectés de posséder des armes nucléaires.
En orange : les pays suspectés de développer des armes nucléaires.
En bleu : les pays ayant eu un programme de développement d'armes nucléaires ou ayant
possédés des armes nucléaires.
Contamination radioactive à
Tchernobyl aujourd'hui
12 Effets physiologiques des rayonnements ionisants
Le terme de rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus
d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.
En matière de rayonnements, il faut d'abord distinguer les ondes qui sont ionisantes et celles
qui ne le sont pas.
D'un point de vue santé, on distingue donc une gamme d’ondes qui est non-ionisante, nonmutagène, et des ondes ionisantes qui sont au contraire structurellement mutagènes.
12.1 Définition des rayonnements ionisants
Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière
pour les arracher de leur atome.
Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les
atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement. Les atomes chargés
positivement ou négativement sont appelés ions. Les atomes qui ont perdu un électron sont
devenus des ions + (appelés cations) et les atomes qui ont reçu cet électron sont devenus des
ions - (appelés anions).
Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants.
Les ondes ionisantes ont donc en elles-mêmes suffisamment d'énergie pour casser des liaisons
atomiques.
Le tableau suivant résume la valeur minimale d'énergie à apporter pour arracher les électrons
liés des principaux atomes constitutifs de la matière biologique.
12.2 Types de rayonnements ionisants
Les rayonnements ionisants regroupent :
les rayonnements d'origine cosmique (rayons cosmiques);
les ondes électromagnétiques les plus énergétiques du spectre électromagnétique ;
les rayons X ;
les rayons gamma ;
les rayonnements produits par les processus radioactifs (alpha, bêta plus et bêta moins) ;
les neutrons ne sont pas des rayonnements directement ionisants, mais puisqu'ils induisent
des rayonnement ionisants par les particules secondaires créées lors de leurs interactions avec
la matière, ils sont classés aussi parmi les rayonnements ionisants.
Les rayonnements ionisants sont de 2 types avec les caractéristiques suivantes :
12.3 Dangerosité des rayonnements ionisants
Alors que les énergies potentiellement libérables sont identiques à celles d’autres processus,
d’où vient la dangerosité beaucoup plus importante d’un rayonnement de 400 joules ?
Vitesse de libération plus grande de l’énergie
Les 400 joules d'un rayonnement sont répartis en bien moins d'unités énergétiques que
pour les autres éléments : chacune unité est donc beaucoup plus énergétique.
L’énergie est répartie sur une surface et un volume plus grands.
Action en profondeur
12.4 Irradiation ou contamination
La radioactivité représente un double danger pour les êtres vivants :
Danger immédiat = irradiation : ce danger se trouve à proximité d’une source importante de
radiations, mais diminue très rapidement dès que l’on s’en éloigne.
Il concerne donc principalement les personnes qui manipulent des éléments radioactifs, que
ce soit dans les centrales nucléaires ou les hôpitaux (malades et personnels hospitaliers).
Même sur des accidents nucléaires majeurs comme celui des centrales de Tchernobyl ou
Fukushima, l’irradiation n’est plus un danger réel à quelques centaines de mètres sur des
périodes courtes (rayonnement déjà absorbé en grande partie, et réparti sur des surfaces
plus grandes suivant la loi du carré inverse).
Danger potentiel différé = contamination : le danger lié à la contamination est plus sournois.
Les isotopes radioactifs peuvent être absorbés par les êtres vivants, que ce soit à travers l’eau,
la viande, les légumes, ou tout simplement en respirant de l’air contenant ces particules.
La contamination externe correspond au dépôt sur la peau d’éléments radioactifs qui peuvent
être dangereux directement en endommageant l’épiderme s’ils ont une demi-vie courte.
La contamination interne se produit en cas d’absorption ou d’inhalation d’isotopes
radioactifs. La radiothérapie métabolique consistant à introduire volontairement dans le
corps du patient des éléments radioactifs spécifiques dans le but de détruire des cellules
cancéreuses, est une forme de contamination interne maîtrisée.
La réalité du danger inhérent à la contamination est très aléatoire car dans l’absolu, les isotopes
radioactifs ne représentent aucun danger tant qu’ils ne se désintègrent pas en émettant des
rayonnements nocifs pour les cellules. Leur comportement chimique reste le même que celui
des isotopes stables.
C’est pourquoi on parle de danger potentiel différé, car pour mesurer réellement le risque d’une
contamination il faut prendre en compte la probabilité des désintégrations liées à la demi-vie
des éléments ainsi que la quantité absorbée et la répartition plus ou moins uniforme des
éléments dans le corps humain.
12.5 Risques liés à l’irradiation
L’irradiation suppose que l’on se trouve à proximité d’une source émettrice de rayonnement,
sans qu’il y a ait besoin d’ingérer ou d’inhaler de produits radioactifs.
Le risque lié à l’irradiation dépend directement des types de rayonnement émis, de la distance à
laquelle on se trouve de la source et des obstacles qui peuvent éventuellement protéger des
émissions.
Bien maîtrisée, l’irradiation est un des outils les plus importants de la médecine moderne, tant
au niveau des diagnostiques (scanners, etc.), que des traitements (rayons).
Mal maîtrisée, elle conduit à des dommages corporels à court et moyen terme (brûlures
importantes, troubles sanguins/gastro intestinaux/cutanés). A plus long terme, elle peut
entraîner des difformités pour les enfants descendants de personnes irradiées ou pour les
embryons irradiés directement.
Le danger direct de l’irradiation est la capacité ionisante des radiations : elles peuvent arracher
directement ou indirectement des électrons aux atomes qui se trouvent sur leurs trajectoires :
Les atomes deviennent des ions (il leur manque un ou plusieurs électrons)
Les liaisons moléculaires ne sont plus stables et peuvent être rompues, notamment sur les
longues et fragiles chaînes que sont les brins d’ADN
Les ions peuvent s’apparier entre eux pour former de nouvelles molécules qui n’étaient
pas présentent auparavant
Pour de la matière inerte, l’ionisation représente surtout un affaiblissement minime de la
structure (micro bulles, micro failles, etc.) ou un changement de comportement (rigidification
des polymères, etc.).
Pour de la matière vivante, le danger est plus important. Les rayonnements peuvent agir sur les
composants d’une ou plusieurs cellules proches et les endommager, les rendant non viables ou
incontrôlables (cancer).
Les rayonnements ALPHA, des noyaux d’hélium constitués de deux neutrons et de deux
protons, sont relativement lourds. Même accélérés fortement (20 000 km/s à leur émission),
ils sont facilement arrêtés par une simple feuille de papier ou une dizaine de centimètres d’air.
Malgré ces faibles distances parcourues, ils sont extrêmement dangereux car ils arrachent sur
leur passage plusieurs dizaines de milliers d’électrons et à chaque fois fournissent une partie de
leur énergie cinétique aux électrons qu’ils éjectent :
Les électrons sont accélérés et peuvent alors se comporter comme des rayonnements
BETA -, surtout en début de parcours du noyau ALPHA ou sa vitesse est grande et où
l’énergie transférée est importante
A chaque éjection, le noyau ALPHA perd de son énergie cinétique. Il finira par ralentir
suffisamment et capturer une paire d’électrons pour devenir un atome d’Hélium
électriquement neutre
La distance qu’ils peuvent parcourir au final est directement liée au nombre d’atomes
rencontrés, c’est pourquoi ils peuvent parcourir quelques centimètres dans l’air, et qu’une
feuille de papier suffit à les arrêter. Le nombre d’électrons arrachés n’est d’ailleurs pas une
fonction linéaire sur la distance parcourue car en début de trajet, la vitesse très grande du
noyau ALPHA ne favorise pas les éjections, tout comme la vitesse lente en fin de parcours.
Dans le cas où ils s'échappent du cœur d’une centrale nucléaire (par exemple, celle de
Fukushima au Japon en 2011), ces rayonnements ne parcourent pas un long chemin avant d’être
arrêtés. Ils sont au final moins dangereux que les autres rayonnements dans le cas d’une
irradiation externe. Ils sont beaucoup plus dangereux en cas de contamination, car émis à
l’intérieur du corps humain, ils sont arrêtés par des cellules proches, avec un fort risque de les
endommager.
Irradiation par rayonnement ALPHA
Les rayonnements BETA, des électrons ou des positrons, ont également une portée faible car ils
sont porteurs de charges électriques et interagissent fortement avec la matière environnante et
les champs électromagnétiques.
Avec une vitesse très supérieure à celle des particules ALPHA et une masse près de 8 000 fois
inférieure, ils interagissent moins avec la matière. Ils causeront donc moins de dégâts qu’une
particule ALPHA sur une même distance parcourue. Mais en réalité, des particules ALPHA et
BETA d’énergies équivalentes réaliseront à peu près le même nombre d’ionisations, mais sur une
distance parcourue plus importante pour les particules BETA.
Ils restent cependant faciles à arrêter dans des substances assez denses, comme une simple
feuille d’aluminium.
Les rayonnements BETA- (électrons) interagissent avec la matière pour produire des paires
d’ions.
Tout comme pour la particule ALPHA, la vitesse de l’électron diminue :
Lorsqu’il participe à l’ionisation d’un atome
Lorsqu’il est dévié de sa trajectoire (freinage) en émettant des rayons X (Bremsstrahlung)
Il finira par être suffisamment lent pour être capturé par un ion en recherche d’un électron.
Irradiation par rayonnement BETA-
Les rayonnements BETA+ (positrons) se désintègrent en rencontrant un électron : leur action est
alors double car un électron est enlevé du cortège électronique d’un atome lors de l’annihilation
(ionisation) et un rayonnement GAMMA est émis (à rapprocher des rayonnements GAMMA
émis directement par les désintégrations).
Ce rayonnement GAMMA est très énergétique car il possède l’énergie des deux particules
annihilées dans la rencontre. Il va à son tour participer à l’ionisation d’autres atomes.
Irradiation par rayonnement BETA+
Les rayonnements GAMMA, des photons de très haute énergie, sans masse, n’interagissent pas
directement avec la matière comme les particules ALPHA et BETA.
Au lieu de restituer progressivement leur énergie au cours de plusieurs interactions successives,
ils la libèrent en une ou deux fois, suivant un mécanisme dépendant de l’énergie du photon
GAMMA :
Faible énergie (effet photoélectrique) : le photon interagit avec un électron et lui cède la
totalité de son énergie. Ejecté du cortège atomique, l’électron se comporte comme une
particule BETA
Moyenne énergie (effet Compton) : le photon n’est pas absorbé en interagissant avec un
électron car il est trop énergétique. Il est diffusé, c'est-à-dire qu’il est réémis après avoir été
absorbé par l’électron, mais avec une énergie inférieure et une direction différente de celle
d’origine. L’électron est éjecté et devient une particule BETA capable d’ioniser d’autres
atomes
Grandes énergies (Paire électron / positron) : le rayon GAMMA interagit directement avec
le noyau et génère une paire d’électron et positron. L’énergie du photon GAMMA nécessaire
pour cette création est au minimum celle représentée par la masse des particules qui vont
être créées (2 x 0,511 MeV). L’énergie du photon GAMMA étant souvent supérieure à cette
valeur, le reste de son énergie est transmise aux deux particules sous la forme d’énergie
cinétique.
En fonction de son énergie, l’électron va interagir avec un autre atome et se comporter comme
une particule BETA, ou bien être suffisamment ralenti par de multiples attractions
électromagnétiques et intégrer le cortège électronique d’un atome.
Le positron quant à lui interagira avec un autre électron (de cet atome ou d’un autre atome) ce
qui provoquera leur annihilation et la création de deux rayonnements GAMMA qui pourront à
leur tour ioniser un autre atome, soit par effet photoélectrique, soit par effet Compton.
Pouvoir pénétrant des rayonnements
Rayons ionisants et matière vivante
L’exposition externe est essentiellement due aux rayons gamma et rayons X. Le rayonnement
alpha, généralement arrêté par l’air et les vêtements, ne pénètre pas plus profond que les
cellules mortes de la couche supérieure de la peau. Une grande partie du rayonnement bêta est
généralement arrêté avant d’atteindre la peau, mais ce rayonnement est plus pénétrant et peut
atteindre ses couches internes. Si la source est proche et intense, la dose à la peau sera forte.
Les rayons gamma et les rayons X ne peuvent jamais être totalement arrêtés. Ils feront sentir
leur effet au delà des couches de la peau à l’intérieur du corps.
12.6 Risques liés à la contamination
La contamination impose que l’être vivant étudié ait :
absorbé ou inhalé des produits contenant des isotopes radioactifs,
été mis en contact direct avec ces éléments (contamination à travers l’épiderme par
le contact avec la pluie ou des flaques, étangs, lacs, etc.)
Suite à un accident, la diffusion des particules est d’autant plus aléatoire qu’elle dépend des
vents et des pluies au moment de leur libération dans l’atmosphère. Il est donc relativement
complexe d’estimer où elles se trouvent et en quelle proportion.
Une fois absorbés par l’organisme, les isotopes radioactifs peuvent être soit intégrés dans le
corps humain, soit éliminés rapidement.
C’est le premier cas qui est le plus dangereux car les isotopes radioactifs ont le même
comportement chimique que les isotopes stables du même élément : ils seront assimilés par le
corps humain et stockés dans les cellules si cet élément est un produit nécessaire à notre
métabolisme. C’est le cas par exemple de l’Iode 131 qui est stocké dans la thyroïde. Le Césium
137 est quant à lui assimilé car sa structure proche du Potassium trompe nos cellules.
Une fois assimilés et stockés, les isotopes radioactifs ne représentent qu’un danger potentiel :
ils ne deviendront réellement dangereux que lors de leurs désintégrations successives, c'est-àdire suivant une probabilité fonction de leur demi-vie.
Le dernier paramètre qui rend complexe la détermination du risque est l’énergie libérée par les
différentes désintégrations. Les particules ALPHA sont bien plus dangereuses que les particules
BETA ou les rayonnements GAMMA :
ALPHA : la totalité des noyaux ALPHA générés va être absorbée par les cellules proches.
Elles sont très ionisantes, c'est-à-dire qu’elles vont endommager le matériel génétique de la
cellule
BETA : plus absorbées que les rayonnements GAMMA mais bien moins dangereuses que les
ALPHA
GAMMA : une faible partie seulement sera capturée par les cellules
De là découle le caractère potentiel et extrêmement difficile à déterminer des risques de la
contamination et l’impossibilité de déclarer un risque absolu pour une population, même
localement proche :
Difficulté de mesurer le taux de contamination potentiel
Difficulté de déterminer le taux d’assimilation réel des éléments
Difficulté de localiser les parties du corps où sont stockés en masse ces isotopes
Caractère totalement aléatoire des désintégrations
Caractère aléatoire de l’ampleur des dégâts provoqués par les radiations émises par
ces désintégrations
Difficulté de mesurer les risques liés aux facteurs génétiques et de santé des
personnes concernées
En fonction de la demi-vie des isotopes :
Demi-vie courte : le risque est maximal en cas d’absorption, soit de doses très importantes
dans tout le corps, ou bien de doses plus faibles mais stockées dans des zones très localisées
du corps (La thyroïde pour l’Iode 131). Avec des demi-vies très courtes, les radiations vont se
concentrer sur une période très limitée, permettant de mettre en place une surveillance
spécifique, ou la distribution de moyens chimiques (Iode par exemple) pour contrer
l’assimilation des isotopes radioactifs ou favoriser leur élimination
Demi-vie à l’échelle humaine : par rapport aux isotopes de demi-vie très courte, il faut
augmenter les quantités absorbées pour que les radiations atteignent un niveau dangereux.
Le risque est surtout lié au fait qu’il faut surveiller pendant beaucoup plus longtemps les
effets de la contamination (demi-vie de 30,7 ans pour le Césium 137) réduisant la capacité
d’utilisation de moyens d’élimination.
Demi-vie loin de l’échelle humaine : avec des demi-vies de plusieurs milliers, millions, voire
milliards d’années, certains éléments impose l’absorption de très fortes doses
(comparativement aux deux autres cas) pour que statistiquement le risque existe.
Risques liés à la contamination
Classement par radiotoxicité
La radiotoxicité mesure la toxicité radioactive d’un radioélément ingéré ou inhalé. Les isotopes
radioactifs sont classés en 4 groupes en fonction de leur toxicité. Dans le premier groupe,
figurent les émetteurs alpha : plutonium, neptunium, américium, curium et aussi radium,
polonium-210 et plomb-210 naturels. Parmi les émetteurs bêta, les isotopes radioactifs de l’iode
qui se fixent sur la thyroïde et le strontium-90 (os) ont une forte toxicité, alors que celle du
césium-137 réparti dans la masse musculaire est modérée. En bas de l’échelle, on trouve le
tritium (dépôt d’énergie particulièrement faible), le krypton-85 (un gaz rare rejet du nucléaire)
et le technetium-99 métastable utilisé pour des scintigraphies en médecine.
Le contact direct de la peau avec des sources radioactives est à l’origine de brûlures qui peuvent
être graves si les sources sont intenses. L’effet est connu depuis les débuts de la radioactivité.
Parcours des alpha et bêta au contact de la peau
Les rayons alpha, comme ceux du plutonium, ou comme les électrons bêta de très faible énergie
du tritium possèdent un très faible pouvoir de pénétration. Si la source radioactive est en
contact de la peau, ils sont arrêtés dans la partie supérieure de celle-ci, l’épiderme, après un
parcours très court : ils s’arrêtent. Les rayons ß rayons du carbone-14, plus énergiques, sont à
même d’atteindre les couches sous-cutanées du derme. Les rayons bêta durs du phosphore-32 ,
ou du strontium-90, dont l’énergie maximale dépasse le MeV, peuvent atteindre l'hypoderme.
Brûlure causée par le contact d’une poudre de césium
Le 10 septembre 1987 à Goiania au Brésil, des ferrailleurs récupèrent dans une clinique
désaffectée un « matériel de valeur », un barillet d’une source de radiothérapie de césium-137.
L’enveloppe de la source est ouverte, la poudre extraite, des pièces métalliques revendues. Les
fragments émettent une « jolie lueur bleue » qui fascine un certain nombre de personnes. La
manipulation de ces pièces et cette poudre scintillante seront à l’origine de graves brûlures
comme ici ainsi que de 129 contaminations internes.
Certains isotopes radioactifs contribuent à la fois aux expositions externes et internes. Le césium137, qui émet à partir de dépôts dans le sol un rayon gamma caractéristique, contamine aussi la
chaîne alimentaire.
La double exposition au césium
Les dépôts au sol de césium-137 sont à l'origine d'irradiations externes et internes. Le césium137, qui émet des électrons bêta et des photons, se retrouve dans les couches végétales avec
lesquelles il s'enfonce lentement. Les campeurs de gauche seront exposés aux rayons gamma
venant du sol, des gamma très caractéristiques qui permettent de détecter et de mesurer
l'activité du césium. A droite, sangliers et champignons concentrent le césium des végétaux, qui
se retrouve alors dans la chaîne alimentaire. C'est l'électron bêta qui devient la principale
source d'irradiation interne. Rappelons qu'il faut camper longtemps en zone très contaminée ou
manger beaucoup de sanglier pour s'exposer à 1 millisievert.
12.7 Dose absorbée de rayonnement ionisant
Lorsqu’un rayonnement ionisant pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de
l’énergie.
La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie. L’unité de dose absorbée par
la matière est le Gray (Gy) ; un gray est la dose d'énergie absorbée par un milieu homogène
d'une masse d'un kilogramme lorsqu'il est exposé à un rayonnement ionisant apportant une
énergie d'un joule, 1 Gy = 1 J/kg.
Le gray est 100 fois plus grand que l'ancienne unité, le rad, qu'il a remplacé en 1986, 1 Gy = 100
rad.
Quand il s'agit d'apprécier les effets biologiques d'une dose, on utilise l’équivalent de dose (ou
dose équivalente) ou encore la dose efficace, qui se mesurent en Sievert, de même dimension.
Par rapport à la dose absorbée (mesurées en gray), ces grandeurs (mesurées en sievert)
tiennent compte d’un facteur supplémentaire sans dimension, qui traduit l'effet relatif du
rayonnement considéré sur l'organe considéré, par rapport à un rayonnement de référence.
En radioprotection et en médecine, on s’intéresse aux dépôts d’énergie des rayonnements dans
des organes ou tissus sensibles. Par exemple, on s’intéressera lors d’une radiothérapie
pulmonaire à l’énergie déposée localement par les rayons dans les poumons. Mais la source des
radiations peut être aussi interne : des atomes d’iode radioactifs se sont fixés sur la thyroïde le
temps d’une scintigraphie ou à la suite d’une ingestion accidentelle. La dose significative est
alors l’énergie déposée dans cette glande. L’unité de dose, le gray, équivaut à 1 Joule d’énergie
absorbée par kilogramme de matière.
Unités utilisées pour les mesures de radioactivité. Pour donner quelques repères,
l'équivalent de dose reçu annuellement en France par un adulte est compris entre 2 et
4 mSv et une radioscopie des poumons correspond à 1 mSv.
Le Gray et le Sievert
12.8 Dose équivalente
En physique nucléaire, l'équivalent de dose ou dose équivalente (notée H) est une grandeur
physique mesurant l'impact sur les tissus biologiques d'une exposition à un rayonnement
ionisant, notamment à une source de radioactivité. Il se définit comme la dose absorbée, à
savoir l'énergie reçue par unité de masse, corrigée d'un facteur de pondération du rayonnement,
sans dimension, qui prend en compte la dangerosité relative du rayonnement considéré. Ce
facteur vaut 1, par définition, pour les rayons X.
L'unité de l'équivalent de dose est le sievert (Sv) et peut s'exprimer en équivalent de joule par
kilogramme (J/kg). L'ancienne unité, le rem, vaut 10 mSv (100 rem = 1 Sv).
Connaissant les doses DR délivrées par différents types de rayonnements, la dose équivalente H
est :
où les wR sont les facteurs de pondération des rayonnements (anciennement : facteurs de
qualité).
Afin de simplifier, la Commission internationale de protection radiologique a émis une
recommandation sur le calcul d'un facteur de qualité ou facteur de pondération des
rayonnements, estimant le facteur d'efficacité biologique.
Les valeurs sont listées ci-dessous :
Facteurs de pondération radiologiques
L'évaluation de la dose équivalente à partir de la dose absorbée en grays prend en compte la
nocivité des rayonnements responsables d'une exposition. Il existe une hiérarchie dans cette
nocivité. Absorbés ou inhalés, les particules alpha sont estimées plus dangereuses que les
électrons et photons gamma. La nocivité des neutrons, qui dépend de l'énergie, est élevée
mais encore plus forte, mais il n'y a pas d'expositions naturelles. Il en va de même des protons
utilisés dans certaines thérapies.
12.9 Dose efficace
En physique nucléaire, la dose efficace est une grandeur physique mesurant l'impact sur les
tissus biologiques d'une exposition à un rayonnement ionisant, notamment à une source de
radioactivité. Il se définit comme la dose absorbée, à savoir l'énergie reçue par unité de masse,
corrigée d'un facteur sans dimension prenant en compte la dangerosité relative du rayonnement
considéré et la sensibilité du tissu irradié.
L'unité de la dose efficace est le sievert (Sv), et peut s'exprimer en équivalent efficace de joule
par kilogramme (J/kg). L'ancienne unité, le rem, vaut 10 mSv (100 rem = 1 Sv).
À partir des doses absorbées DR,T délivrée par différents rayonnements R sur différents tissus T la
dose efficace est calculée selon :
où les wT sont les facteurs de pondération des tissus et les wR les facteurs de pondération des
rayonnements.
Facteur de pondération des tissus
Sensibilité des tissus aux radiations
L’évaluation des doses biologiques prend en compte la sensibilité des tissus et organes touchés
par l’intermédiaire d’un facteur de « pondération tissulaire ». C’est ainsi que les organes de
reproduction sont estimés 20 fois plus sensibles que la peau. Ce coefficient permet d’évaluer la
toxicité d’une exposition en convertissant les dépôts d’énergie dans les différentes parties du
corps mesurés en grays en une dose efficace (exprimée en sievert) relative au corps entier.
12.10 Niveaux d’exposition et limites d’exposition
Tous les radioéléments n’ont pas la même nocivité (on dit radio toxicité) pour un même nombre
de désintégrations ; en fait il y a des variations considérables comme on peut le voir sur le
tableau ci-dessus dans le cas d’une ingestion.
Certains radioéléments ont une nocivité quasiment nulle (tritium par exemple) alors qu’un
autre, pourtant diabolisé par les antinucléaires (Pu239), est en fait 5 fois moins nocif que le
polonium210 élément naturel. Cela vient du fait que l’énergie de la particule éjectée lors de la
désintégration varie considérablement selon l’élément.
12.11 Bilan des rayonnements reçus par année
Pour évaluer les rayonnements reçus chaque année par une personne il faut prendre en
compte les différentes sources étudiées dans les chapitres précédents.
Pour estimer l’innocuité d’une dose de radiation que pourrait supporter une personne, il faut
déduire des limites définies précédemment les rayonnements naturels (moyenne de 2 mSv par
an) et les expositions exceptionnelles qu’elle auraient pu déjà subir sur les douze derniers mois,
soit en tant que patient (radiothérapie, radio imagerie) ou dans le cadre de son travail (ouvrier
du nucléaire, manipulateur en radio imagerie, pilote d’avion, etc.).
Bilan des rayonnements reçus par année
Les sources de rayonnements ionisants en France et l’exposition annuelle de la
population
Dose moyenne de radiation en Allemagne en 2005. La dose effective reçue de radiations
d'origine naturelle ou artificielle est en moyenne de 3,9 mSv en Allemagne. Les irradiations
d'origine naturelle, et celles d'origine médicale (en particulier les examens aux rayons X)
contribuent chacune pour à peu près la moitié de ce total. En regard des irradiations
naturelles ou médicales, et compte tenu de la variation considérable de ces irradiations,
toutes les autres contributions sont en pratique négligeables.
En plus des rayonnements reçus en moyenne, certaines personnes subissent de par leur
profession (personnel de l’industrie nucléaire, des centres de recherche, personnel des centres
de radio imagerie ou de radio thérapie), de par leurs habitudes (fumeurs) ou de par leur
localisation géographique (zone sur socle granitique), des doses supérieures qu’il faut prendre
en compte dans le calcul de leur irradiation annuelle.
Temporairement, dans le cadre de certains examens médicaux, chacun peut aussi voir son taux
d’exposition annuelle augmenter considérablement.
Bilan des
rayonnements
spécifiques reçus par
an par certaines
personnes
12.12 Expositions aigües et expositions chroniques
Les effets sur l'organisme dépendent bien sur de la dose reçue mais aussi de la durée pendant
laquelle cette dose a été reçue.
Un exemple simple pour mieux comprendre le rapport entre dose, fréquence et risque :
Boire une bouteille de whisky en une heure : l’effet est immédiat et les dégâts importants
(coma éthylique)
Boire un verre de whisky par jour pendant deux semaines : la quantité ingérée sera
identique, mais les effets bien moindres chaque jour
Boire un verre de whisky par jour pendant plusieurs années : lentement, les dégâts au
niveau du foie vont apparaître, même si la dose ingérée ne semble pas faire de dégâts au
quotidien
Boire une fois par semaine 4 ou 5 verres de whisky pendant une année : si l’organisme
compense les doses reçues sur les premières semaines cela devient de plus en plus difficile
par la suite et des troubles vont apparaître, même si chaque dose reçue semble acceptée
Ce rapport entre la fréquence et la quantité absorbée est le débit de dose. Il s’applique à toutes
les situations où notre métabolisme absorbe une quantité (liquide, poison, gaz, rayonnements,
etc.) dans des périodes plus ou moins rapprochées.
Même pour des expositions relativement faibles, le débit de dose est aussi à prendre en
compte pour déterminer la dangerosité d’une irradiation. La dose tolérée par an en mSv est :
Moins dangereuse si elle est appliquée en continu : de petites doses reçues en continu
permettent au système de réparation interne de traiter les dégâts occasionnés car ils sont
peu nombreux. C’est notamment le cas des doses de radioactivité naturelle que nous
recevons chaque jour, qu’elles soient d’origine cosmique, tellurique ou qu’elles viennent du
Potassium 40 et du Carbone 14 de nos cellules
Plus dangereuse si elle est appliquée en quelques fois : les dégâts seront plus importants à
chaque fois, ne laissant pas à l’organisme la possibilité de les réparer (radiothérapies trop
fréquentes, exposition à du matériel radioactif, etc.)
C’est pourquoi les limites sont habituellement données selon deux échelles de temps :
Court terme : la dose maximale tolérée sur un délai court qui est de 1 mSv par heure
(Lors de l’accident de la centrale de Fukushima en 2011, certains points proches de la
piscine de stockage des barres de combustible avaient une activité de 400 mSv / h)
Moyen terme : la dose maximale tolérée sur l’année (quelle que soit la répartition entre
les expositions courantes et les expositions exceptionnelles) qui est de 5 mSv par an pour
la population et de 20 mSv pour les personnels soumis à une radioactivité dans le cadre de
leur travail (cette différence ne trouve pas de justificatif probant).
Pour illustrer la difficulté d’établir une valeur absolue à ce risque, les limites définies entre
l’Europe et les Etats-Unis ont varié jusqu’à un facteur 4 (tolérance de 500 mSv annuels aux USA)
avant de se rapprocher aujourd’hui autour d’un consensus !
Par exemple, la cataracte peut être provoquée par diverses doses d’irradiations localisées :
Exposition brève et unique : Dose nécessaire = 5 Gray
Exposition fractionnée sur quelques semaines : Dose nécessaire = 8 Gray répartis sur
quelques semaines (par exemple, 8 séances de 1 gray qui unitairement ne sont pas
dangereuses)
Exposition fractionnée sur plusieurs années : Dose nécessaire supérieure à 0,20 Gray par
année pendant quelques années. Le cumul de petites doses qui ne sont pas immédiatement
dangereuses est au final également dangereux
Réaction du métabolisme en fonction de la durée et de la fréquence d’exposition
12.13 Effets probables selon la dose reçue et la période d’exposition
Nous donnons ici une indication des effets probables pour différentes doses reçues par un
homme en précisant le temps pendant lequel cette dose à été reçue.
10 000 mSv (10 Sv) en une fois (temps court inférieur à quelques heures) : dommages
immédiats, très sévères entraînant la mort en quelques semaines.
Entre 2 et 10 Sv en une fois : dommages sérieux mais non définitifs jusqu'à 4 Sv. A partir de
cette valeur, ils deviennent irréversibles et les risques de mortalité augmentent avec la dose.
1 000 mSv (1 SV) en une fois : peut entraîner (temporairement) des nausées, une baisse des
globules blancs et des leucocytes mais pas la mort. Tout redevient normal en peu de temps.
Un sievert accumulé sur un temps plus long entraîne une augmentation du risque de
développer un cancer mortel d'environ 5% plusieurs années plus tard.
50 mSv/an est la plus petite dose (de façon conservative) à partir de laquelle on ne peut
prouver l'apparition de cancers (cette dose est aussi la radioactivité naturelle de plusieurs
lieux sur Terre). Au delà de cette valeur, le nombre de cancers (mais pas de leur gravité)
augmente avec la dose.
20 mSv/an moyenné sur 5 ans : c'est la limite légale que peuvent recevoir les travailleurs du
nucléaire.
2-10 mSv/an : radioactivité naturelle moyenne (peut être beaucoup plus élevé).
1 mSv/an : c'est la limite légale que peut recevoir le public (au dessus de la radioactivité
naturelle).
12.14 Effets biologiques d’une exposition à des rayonnements ionisants
Le transfert d’énergie des rayonnements ionisants à la matière vivante est responsable des
effets biologiques de ces rayonnements. Cette ionisation affecte les cellules des tissus ou des
organes exposés, de sorte que les processus biologiques des cellules sont perturbés.
Cela peut conduire à :
l’ionisation des molécules (radiolyse), modifiant leurs propriétés chimiques. Les
constituants chimiques de la cellule vivante ne peuvent plus alors jouer leur rôle.
l’altération de l’ADN, qui a un rôle de « chef d’orchestre » dans la vie cellulaire. Ces
lésions de l’ADN sont de plusieurs types, essentiellement des ruptures simple brin et
double brins.
Un système de réparation enzymatique dans la cellule permet de réparer rapidement les lésions
de premier type (ruptures simples brins). Dans les autres cas, la réparation peut être incomplète.
Ces lésions d’ADN, mal réparées, peuvent, dans certains cas, empêcher la reproduction cellulaire
ou entraîner la mort de la cellule.
Cette mortalité cellulaire est liée à l’importance de l’irradiation : le nombre de cellules tuées est
directement proportionnel à la dose reçue par la matière vivante.
L’importance et la nature des lésions cellulaires, pour une même dose d’exposition, dépend des
facteurs suivants :
mode d’exposition (externe ou interne) ;
nature des rayonnements ;
débit de la dose reçue (une même dose reçue en peu de temps est bien plus nocive
que si elle est étalée dans le temps) ;
certains facteurs chimiques ou physiques influant sur la sensibilité cellulaire
(température, présence de certaines substances chimiques tels l’oxygène) ;
type des cellules exposées : les cellules qui ont un potentiel de multiplication
important (dites « indifférenciées », telles les cellules de la moelle osseuse) sont
d’autant plus « radiosensibles ».
12.15 Conséquences d’une exposition aux rayonnements ionisants sur la santé
Les effets sur l’organisme des rayonnements sont de deux types :
les effets à court terme, dits déterministes, liés directement aux lésions cellulaires et
pour lesquels un seuil d’apparition a été défini ;
les effets à long terme et aléatoires (ou stochastiques) : cancers et anomalies génétiques.
Ils se manifestent de quelques heures à plusieurs mois / années après l’irradiation.
Les effets déterministes, pour une exposition à des rayonnements gamma ou X, apparaissent à
partir d’une dose d’irradiation de 0,15 Grays (Gy).
En revanche, il n’a pas été possible de mettre en évidence l’existence d’un seuil pour les effets
aléatoires. Ces derniers sont donc considérés comme sans seuil.
Effets déterministes
A partir d’un certain seuil d’irradiation, apparaissent des effets pathologiques directement liés
aux lésions cellulaires.
On distingue les effets liés à une irradiation partielle ou globale.
Les tissus les plus sensibles en cas d’irradiation sont les tissus reproducteurs, les tissus
impliqués dans la formation des cellules sanguines (rate, moelle osseuse…), le cristallin de
l’œil, la peau. Une irradiation locale cutanée peut entraîner par exemple, selon les doses, un
érythème, une ulcération ou une nécrose.
En cas d’irradiation globale du corps humain, le pronostic vital est lié à l’importance de
l’atteinte des tissus les plus radiosensibles (moelle osseuse, tube digestif).
Pour des rayonnements gamma ou X, à partir de 4,5 Grays (Gy), la moitié des accidents par
irradiation, en l’absence de traitement, sont mortels.
Nécrose des doigts d'un radiologue du début du XXe siècle, causée par l'exposition répétée
aux fortes radiations.
Effets aléatoires (ou stochastiques)
Ces effets peuvent survenir de façon aléatoire au sein d’une population ayant subi une
exposition identique et sans qu’un seuil n’ait pu être vraiment défini. Ce sont les cancers et les
anomalies génétiques (mutations).
Les causes de variation de la mortalité spontanée par cancer ne sont pas toujours faciles à
mettre en évidence.
Les études épidémiologiques portant sur des enfants traités par radiothérapie ont mis en
évidence une augmentation de risque de cancer thyroïdien à partir d’une dose équivalente de
100 milliSieverts (mSv) (la thyroïde de l’enfant est très radiosensible). Après l’accident de
Tchernobyl en 1984, la surveillance de la population des territoires les plus contaminés a mis en
évidence une augmentation importante des cancers thyroïdiens chez les personnes qui avaient
moins de 18 ans lors de l’accident.
La surveillance des populations d’Hiroshima confirme une augmentation de risques de cancer à
partir d’une dose d’exposition estimée à 200 mSv.
Par prudence, on considère que toute dose, aussi faible soit-elle, peut entraîner un risque accru
de cancer. C’est l’hypothèse « d’absence de seuil ».
Le délai de survenue de la maladie est long : de 5 à 10 ans pour les leucémies, jusqu’à 50 ans
pour les autres cancers.
En ce qui concerne les mutations génétiques après irradiation, elles n’ont été mises en
évidence qu’expérimentalement, sur la mouche et la souris.
Les études épidémiologiques n’ont pas permis de mettre en évidence de manière certaine une
augmentation des effets génétiques dans la descendance des populations humaines irradiées.
Réaction du métabolisme lors d’une irradiation localisée
Lors d’une irradiation localisée, le pronostic vital ne sera engagé que si un des organes vitaux est
touché (poumons, cœur, cerveau, etc.). Dans les autres cas, la perte d’un organe n’entraîne pas
forcément une baisse du pronostic vital, mais simplement la perte de cet organe (cataracte,
stérilité, amputation).
Ces irradiations localisées surviennent :
Lors de radiothérapies contrôlées : la dose reçue et l’organe visé sont alors bien ceux
que l’on souhaitait irradier. Les effets peuvent alors concerner non seulement cet
organe, mais également ceux qui se trouvent entre la source et lui, ou à proximité
Lors de radiothérapies mal contrôlées : il s’agit la plupart de dose de rayonnement
trop importante entraînant des brûlures ou l’irradiation d’une zone beaucoup plus
grande que celle visée
Lors d’accidents : ce sont souvent des objets radioactifs (Gammagraphie, etc.)
ramassés sur un chantier ou une zone de stockage mal surveillée (Europe de l’Est), ou
du non respect des règles de sécurité. Ils provoquent des brûlures graves
habituellement suivies d’amputation
Les effets stochastiques sont moindres que pour des expositions globales et concernent
principalement l’organe irradié.
Si le patient n’a pas conscience d’avoir été irradié (ce qui arrive lorsque la personne a ramassé
ou manipulé un objet radioactif sans le savoir) le diagnostic des premières heures est souvent
faussé car les symptômes peuvent donner l’impression qu’il s’agit d’un autre problème (coup de
soleil, allergie, etc.).
Réaction du métabolisme lors d’une irradiation locale
Réaction du métabolisme lors d'une irradiation globale
Il faut encore distinguer les irradiations globales des irradiations localisées. A doses
équivalentes, l’irradiation globale est plus dangereuse car elle risque de perturber le
fonctionnement de nombreux organes simultanément, engageant fortement le pronostic vital de
l’individu.
Réaction du métabolisme lors d’une irradiation globale
Le schéma suivant est une autre façon de représenter les différentes phases ressenties lors
d’une irradiation, sur la période propre aux effets déterministes :
Phase précoce : apparition des effets initiaux
Phase de latence : phase pendant laquelle le métabolisme de la personne irradiée a un
comportement normal. Seules sont visibles les séquelles éventuelles de la phase précoce
(rougeurs, brûlures, etc.). Le patient semble alors aller mieux
Phase critique ou phase d’état : mise en place des effets déterministes
La relation entre la dose reçue, la vitesse d’apparition et la durée de chaque phase se distingue
nettement :
Plus la dose reçue est grande, plus rapide est le démarrage de la phase précoce, plus
petite sera la phase de latence et plus rapide sera engagé le pronostic vital dans la phase
critique
Plus la dose reçue sera faible, moins longue et plus tardive sera la phase précoce, et
moins dangereuse sera la phase critique
Différentes phases et dangerosité lors d’une irradiation globale externe
Quelques exemples d’irradiation aigüe globale