Radioactivité - Définition

La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Pierre Curie, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transmuter en des noyaux atomiques plus stables. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.

Les radioéléments les plus fréquents dans les roches terrestres sont l'isotope 238 de l'uranium (²³⁸U), l'isotope 232 du thorium (²³²Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (⁴⁰K).^[1] Outre ces isotopes radioactifs naturels encore relativement abondants, il existe dans la nature des isotopes radioactifs en abondances beaucoup plus faibles. Il s'agit notamment des éléments instables produits lors de la suite de désintégrations des isotopes mentionnés, par exemple de divers isotopes du radium et du radon.

Un des radioéléments naturels les plus utilisés par l'homme est l'isotope 235 de l'uranium (²³⁵U) qui se trouve dans la nature en concentrations très faibles associées à l'isotope ²³⁸U, mais dont on modifie la concentration par des techniques d'enrichissement de l'uranium pour qu'il puisse servir à la production d'énergie nucléaire civile et militaire.

Un autre radioisotope naturel est le radiocarbone, c'est-à-dire l'isotope 14 du carbone (¹⁴C). Ce dernier est constamment produit dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques interagissant avec l'azote, et se détruit par désintégrations radioactives à peu près au même taux qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un équilibre dynamique qui fait que la concentration du ¹⁴C reste plus ou moins constante au cours du temps dans l'air et dans les organismes vivants qui respirent cet air. Une fois un organisme mort, la concentration en ¹⁴C diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette datation au radiocarbone est un outil de recherche très prisé en archéologie et permet de dater avec une bonne précision des objets organiques dont l'âge ne dépasse pas cinquante à cent mille ans.

On parle ^[2] de radioactivité alpha (α) pour désigner l'émission d'un noyau d'hélium ou hélion :

_Z^AX → _Z-2^A-4Y + ₂⁴He.

Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge 2e, et une masse de 4,001 505 8 unités de masse atomique.

La radioactivité bêta moins (β^-) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un neutron en proton, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino ν :

_Z^AX → _Z+1^AY + _-1⁰e + ₀⁰ν.

La radioactivité bêta plus (β⁺) ne concerne que des nucléides qui présentent un excès de protons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un proton en neutron, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un positon (ou positron, ou encore particule bêta plus) et d'un neutrino ν :

_Z^AX → _Z-1^AY + ₁⁰e + ₀⁰ν.

Les désintégrations α, β^- et β⁺ sont toujours accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou rayons gamma, dont les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de l'ordre de 10^-9 m ou inférieures. Cette émission gamma (γ) résulte de l'émission de photons lors de transitions électroniques à partir de niveaux d'énergie excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.

Les rayonnements α, β et γ produits par la radioactivité sont des rayonnements ionisants qui interagissent avec la matière en provoquant une ionisation. L'irradiation d'un organisme entraîne des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé, selon les doses de radiation reçues et le type de rayonnement concerné.

Historique

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après expositions à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec différents matériaux phosphorescents. Tous ses résultats d'expérience furent négatifs, à l'exception de ceux mettant en cause des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique à travers la couche de papier. Cependant, il apparut bientôt que l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la lumière au préalable. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique. À première vue, ce nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895) par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923). Des études ultérieures menées par Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie-Sk?odowska (1867-1934) qui, sur le conseil de son mari Pierre Curie (1859-1906), fit de la radioactivité le sujet de sa thèse de doctorat, ou encore par Ernest Rutherford (1871-1937) et d'autres hors de la France, montraient que la radioactivité est nettement plus complexe que le rayonnement X. En particulier, ils trouvaient qu'un champ électrique ou magnétique sépare les rayonnements " uraniques " en trois faisceaux distincts, qu'ils baptisaient α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux montrait que les particules α étaient chargées positivement, les β négativement, et que les γ étaient neutres. En outre, la magnitude de la déflection indiquait nettement que les particules α étaient bien plus massives que les β.

En faisant passer les rayons α dans un tube à décharge et en étudiant les raies spectrales ainsi produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitué d'hélions, autrement dit de noyaux d'hélium (⁴He). D'autres expériences permettaient d'établir que les rayons β sont composés d'électrons comme les particules dans un tube cathodique, et que les γ sont, tout comme les rayons X, des photons très énergétiques. Par la suite, on découvrit que de nombreux autres éléments chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de pechblende, une roche uranifère, Marie Curie réussit à isoler quelques milligrammes de radium dont les propriétés chimiques sont tout à fait similaires à celles du baryum (les deux sont des métaux alcalino-terreux), mais qu'on arrive à distinguer à cause de la radioactivité du radium.

Les dangers de la radioactivité pour la santé ne furent pas immédiatement reconnus. Ainsi, Nikola Tesla (1856-1943), en soumettant volontairement en 1896 ses propres doigts à une irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation étaient des brûlures qu'il attribua, dans une publication, à la présence d'ozone. D'autre part, les effets mutagènes des radiations, en particulier les risques de cancer, ne furent découverts qu'en 1927 par Hermann Joseph Muller (1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des médecins et des sociétés attribuaient aux matières radioactives des propriétés thérapeutiques : le radium, en particulier, était populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou de pastilles. Marie Curie s'est élevée contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur le corps n'étaient pas encore bien compris. Durant les années 1930, les nombreuses morts qui ont semblé pouvoir être reliées à l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette mode.

Loi de désintégration radioactive

Un radionucléide quelconque a autant de chances de se désintégrer à un moment donné qu'un autre radionucléide de la même espèce, et la désintégration ne dépend pas des conditions physico-chimiques dans lesquelles le nucléide se trouve. En d'autres termes, la loi de désintégration radioactive est une loi statistique. Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque. Comme la probabilité de désintégration d'un quelconque de ces radionucléides ne dépend pas de la présence des autres radionucléides ni du milieu environnant, le nombre total de désintégrations dN pendant un laps de temps dt à l'instant t est proportionnel au nombre de radionucléides de même espèce N présents et à la durée dt de cet intervalle : c'est une loi de décroissance exponentielle. On a en effet :

dN = − λNdt

où la constante de proportionnalité λ, appelée constante radioactive du radionucléide considéré, possède la dimension de l'inverse d'un temps. On met le signe moins (–) parce que N diminue au cours du temps, de sorte que la constante λ est positive.

En intégrant l'équation différentielle précédente, on trouve le nombre N(t) de radionucléides présents dans le corps à un instant t quelconque, sachant qu'à un instant donné t = 0 il y en avait N₀ :

N(t) = N₀e ^{− λt}

On appelle " période radioactive " (ou demi-vie) la durée au bout de laquelle le nombre de radionucléides présents dans l'échantillon est réduit de moitié. On a donc :

Propriétés pénétratives des rayonnements α, β et γ

On a vu ci-dessus que les rayonnements produits par des substances radioactives peuvent prendre trois formes différentes :

• rayonnement α : un noyau atomique instable émet une particule lourde chargée positivement (un noyau d'hélium-4) qu'une feuille de papier peut arrêter ;
• rayonnement β : un noyau atomique instable émet une particule légère (un électron ou un positon) qu'une feuille d'aluminium peut arrêter ;
• rayonnement γ : un noyau atomique qui ne souffre pas d'un déséquilibre baryonique, mais qui se trouve dans un état d'énergie instable, émet un photon très énergétique, donc très pénétrant, pour atteindre un état d'énergie stable ; il faut plusieurs centimètres de plomb pour l'arrêter. Il n'y a guère de différence entre les rayons X durs et le rayonnement γ — seul leur source les différencie. En général, l'émission de rayons γ suit une désintégration α ou β, car elle correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On rencontre donc fréquemment un noyau radioactif émettant simultanément plusieurs types de rayonnement : par exemple, l'isotope 239 du plutonium (²³⁹Pu) est un émetteur α–γ, l'isotope 59 du fer (⁵⁹Fe) est un émetteur β–γ.

Interaction des rayonnements avec la matière

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement considéré.

Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge ni masse. En traversant la matière il provoque trois type d'interactions : l'effet photo-électrique, la création de paires et l'effet Compton. Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé. Le rayonnement gamma a un fort pouvoir de pénétration dans la matière (plusieurs dizaines de mètres de béton).

Le rayonnement alpha est un faisceau de particules lourdes et chargées, généralement d'énergie élevée. En traversant la matière, ce faisceau de particules percute les électrons de la périphérie des atomes du matériau traversé ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance : le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier les arrête totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations.

Le rayonnement bêta, constitué d'électrons ou de positrons est un faisceau de particules légères et chargées. Il interagit avec la matière en provoquant, lui aussi, des excitations et des ionisations. Le parcours des électrons et des positrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement bêta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur.

La nature des lois physiques permettant de calculer les parcours ou l'atténuation des rayonnements dans la matière diffèrent selon les rayonnements considérés. Les rayonnements gamma ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. C'est pourquoi le flux de photons émergeant d'un écran sera faible, voire quasi indétectable, mais jamais nul. Les lois physiques qui traduisent le parcours des rayonnements alpha et bêta montrent qu'au-delà d'une certaine distance, il est impossible que des particules puissent être retrouvées. Le rayonnement incident peut donc être complètement bloqué par un matériau qui joue le rôle d'écran.

Mesure de radioactivité

Grandeurs objectives

La période radioactive, pour un isotope radioactif, est la durée (exprimée le plus souvent en années) au cours de laquelle son activité radioactive décroît de moitié pour un mode de désintégration donné. Elle est plus souvent appelée demi-vie. L'activité d'un corps radioactif à un instant donné est le nombre de désintégrations par seconde à cet instant, autrement dit l'intensité de sa radioactivité. L'activité d'un nombre donné d'atomes d'un isotope radioactif est proportionnelle à ce nombre et inversement proportionnelle à la période radioactive de l'isotope.

L'activité d'un échantillon radioactif (source radioactive) se mesure en becquerels (Bq), unité qui correspond au nombre de désintégrations en 1 seconde, en hommage à Henri Becquerel. On utilise quelquefois (en biologie par exemple) le nombre de désintégrations par minute. Le curie (Ci) était autrefois : il se définit comme l'activité d'un gramme de radium, soit 37 × 10? désintégrations par seconde, soit 37 Bq = 1 nCi.

On peut également utiliser le coulomb par kilogramme (C/kg) qui mesure l'exposition aux rayonnements X et gamma (la charge d'ions libérée dans la masse d'air). L'ancienne unité équivalente était le Roentgen qui correspond au nombre d'ionisations par kilogramme d'air.

Pour les rayonnements ionisants, la dose absorbée par la cible est définie comme l'énergie reçue par unité de masse, en joules par kilogramme, c'est-à-dire en Grays (Gy) dans le système SI. L'ancienne unité était le rad. 1 Gy = 100 rad.

Lors d'une exposition durable, on définit le débit de dose, c'est-à-dire l'énergie absorbée par kilogramme et par unité de temps. En effet des phénomènes biologiques relativement lents peuvent être perturbés par les rayonnements, ainsi les cellules souches du système hématopoïétique en cour de divisions sont détruites si irradiés, mais ne sont pas affectées lorsque quiescentes. L'unité du débit de dose est le gray par seconde (Gy/s).

Ces grandeurs, activité, dose et débit de dose sont des grandeurs mesurables, qui peuvent être mesurées à l'aide d'appareils de physique (compteurs, calorimètres, horloges).

Conversion des différentes unités objectives :

1 Ci = 3,7 10¹⁰Bq

1 Bq = 0,027 nCi

1 rad = 0,01 Gy = 10 mGy

1 Gy = 100 rad

Grandeurs subjectives

La première grandeur subjective est la dose absorbée par l'organisme. L'unité de dose de radiation absorbée du Système international (SI) est le gray, qui remplace le rad.

Parmi les grandeurs subjectives de la radioactivité, certaines évaluent le risque pour la santé. Tous les rayonnements n'ayant pas la même nocivité, on définit une dose équivalente dans laquelle chaque rayonnement doit être pondéré pour tenir compte des différences.

Lorsque le rad était utilisé comme unité de dose absorbée, l'unité de dose équivalente était le rem, acronyme de " rad equivalent man ". Actuellement, le rem est remplacé par le sievert (Sv), qui est " Gray equivalent Homme " et est une unité du système SI.

La dose équivalente n'est pas mesurable, mais elle est évaluée en fonction de la dose reçue, de la sensibilité du tissu irradié et de la nature du rayonnement.

• E est la dose équivalente,
• D est la dose physique absorbée,
• S dépend de la sensibilité du tissu, faible pour les muscles ou la peau, mais important pour les gonades, le système nerveux, les cellules de la moelle osseuse ou de l'intestin,
• Q est un paramètre qui dépend de la nature du rayonnement. Il est égal à 1 pour les rayons gamma et bêta, à 5 pour les rayons alpha, et à 20 lors d'une irradiation par les neutrons.

Le débit de dose équivalente s'exprime en sieverts par seconde. Cette grandeur est pertinente pour évaluer les expositions professionnelles des travailleurs du nucléaire, des astronautes, ou des personnes vivant dans un environnement à risque. À titre d'exemple, les personnes vivant en Europe occidentale sont soumises à un débit de dose équivalente d'environ 3 mSv/an.

Conversion des différentes unités subjectives :

1 rad = 0,01 Gy

1 Gy = 100 rad

1 rem = 0,01 Sv = 10 mSv

1 Sv = 100 rem

Origines de la radioactivité

Radioisotopes

La radioactivité a principalement pour origine les radioisotopes existants dans la nature et produits lors des explosions des supernovae. On trouve des traces de ces éléments radioactifs et de leurs descendants dans notre environnement : un roc de granite contient des traces d'uranium qui, en se désintégrant, émettent du radon.

La radioactivité naturelle des atomes de notre corps se traduit aussi par environ 8 000 désintégrations par seconde (8 000 Bq), qui font 252 milliards par an sur les quelque 10²⁷ atomes de notre corps. Le risque d'altération d'un atome est donc de 0,25 × 10^-17. L'exposition naturelle à la radioactivité représente 2,5 mSv sur le total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv, selon l'environnement géologique et les matériaux d'habitation.

Rayons cosmiques

La Terre est en permanence soumise à un flux de particules de haute énergie en provenance de l'espace et du soleil, les rayons cosmiques. Le champ magnétique terrestre dévie la majeure partie d’entre elles. L’atmosphère n'absorbant qu’une partie de ces particules de haute énergie, une fraction de celle-ci atteint le sol, voire, traverse les couches rocheuses.

Radioactivités " naturelle " et " artificielle "

On parle parfois, par abus de langage, de " radioactivité naturelle " pour désigner le bruit de fond radioactif, dû notamment au rayonnement de fond cosmique et à des sols radioactifs comme le granit.

A contrario, on parle parfois de " radioactivité artificielle " pour désigner la radioactivité due à des sources produites par les activités humaines : éléments transuraniens synthétiques, concentrations artificiellement élevées de matières radioactives, production artificielle de rayonnement Gamma (dans un accélérateur de particules par exemple) ou de rayons X (radiographies).

Physiquement, il s'agit exactement du même phénomène.

Radioprotection

Activité naturelle

Le rayonnement tectonique dû aux roches (uranium, thorium et descendants) est de 0,40 mSv, mais il peut être dix fois plus important dans des régions granitiques comme la Forêt-Noire en Allemagne ou la Bretagne et le Massif central en France, en particulier à cause d'un gaz radioactif, le radon.

La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,40 mSv au niveau de la mer, mais double à 1 500 m d'altitude.

Risque sanitaire

Les conséquences de la radioactivité sur la santé sont complexes. Le risque pour la santé dépend non seulement de l'intensité du rayonnement et la durée d'exposition, mais également du type de tissu concerné — les organes reproducteurs sont 20 fois plus sensibles que la peau. Les effets sont différents selon le vecteur de la radioactivité :

• exposition à des rayonnements ionisants par une source radioactive à distance
• contamination radioactive si l'on avale ou l'on respire un produit radioactif

Les normes internationales, basée sur les conséquences épidémiologiques de l'explosion des bombes d'Hiroshima et Nagasaki, partent du principe que le risque pour la santé est proportionnel à la dose reçue et que toute dose de rayonnement comporte un risque cancérigène et génétique (CIPR 1990).

La réglementation pour la protection contre les radiations ionisantes est basée sur trois recommandations fondamentales :

1. Justification : on ne doit adopter aucune pratique conduisant à une irradiation à moins qu'elle ne produise un bénéfice suffisant pour les individus exposés ou pour la société, compensant le préjudice lié à cette irradiation.
2. Optimisation : l'irradiation doit être au niveau le plus bas que l'on peut raisonnablement atteindre.
3. Limitation de la dose et du risque individuels : aucun individu ne doit recevoir des doses d'irradiation supérieures aux limites maximum autorisées.

De récentes études de l'IRSN ont montrées que les effets de la contamination radioactive chronique, même à des faibles doses, ne sont pas négligeables, et pourraient provoquer différentes pathologies atteignant certaines fonctions physiologiques (système nerveux central, respiration, digestion, reproduction). (lien)

Dose radiative

L'environnement naturel émet un rayonnement inférieur 0,00012 mSv/h. L'exposition peut devenir dangereuse à partir de 0,002 mSv/h, selon le temps auquel on y est soumis.

Les doses actuellement tolérées dans les différents secteurs contrôlés des centrales nucléaires françaises sont

• zone bleue : de 0,0025 à 0,0075 mSv/h
• zone verte : de 0,0075 à 0,02 mSv/h
• zone jaune : de 0,02 à 2 mSv/h
• zone orange : de 2 à 100 mSv/h
• zone rouge : > 100 mSv/h

Voir l'article détaillé Dose radiative'"

Dose équivalente

La dose équivalente est mesure de dose cumulée d'exposition continue aux radiations ionisantes durant une année, avec des facteurs de pondération. Jusqu'en 1992, les doses équivalentes n'étaient pas mesurées de la même façon en Europe et aux États-Unis ; aujourd'hui ces doses sont standardisées.

La dose cumulée d'une source radioactive artificielle devient dangereuse à partir de 500 mSv (ou 50 rem), dose à laquelle on constate les premiers symptômes d'altération sanguine. En 1992, la dose équivalente maximale (dem) pour une personne travaillant sous rayonnements ionisants était fixée à 15 mSv sur les 12 derniers mois en Europe (CERN et Angleterre) et à 50 mSv sur les 12 derniers mois aux États-Unis. Depuis août 2003, la dem est passée à 20 mSv sur les 12 derniers mois.

Lors d'un scanner médical, le patient reçoit une dose de 0,05 mSv à 15 mSv suivant les organes. Pour éviter tout symptôme d'altération sanguine, on se limite à un maximum de trois examens de ce type par an.

Voir articles Équivalent de dose et Équivalent de dose efficace

Radioprotection

Voir Radioprotection

Irradiation

En France, la réglementation fixe les limites annuelles de radiation à 20 mSv (2 rem) pour les travailleurs et à 1 mSv (0,1 rem) pour la population.

Les facteurs qui protègent des radiations sont :

• Distance (éviter de mettre la tête sur la source),
• Activité (réduire au mieux le ddd),
• Temps (rester le moins longtemps près de la source),
• Écran (plomber, immerger, bétonner, ... la source).

Certains comportements sont susceptibles d'entrainer une surexposition à la radioactivité : un patient qui effectue 5 radiographies aux rayons X subit une dose d'environ 1 mSv ; les passagers et les pilotes des avions de ligne, et les astronautes en orbite, subissent aussi de l'ordre d'1 mSv lors d'une éruption solaire très intense. S'ils répètent ces voyages ou effectuent des missions de longues durées, une exposition prolongée accroît le risque d'irradiation.

Voir article détaillé Irradiation

Contamination radioactive

En zone contaminée par des poussières radioactives, on se protège par une hygiène très stricte : nettoyage des surfaces de travail, précautions pour éviter de soulever la poussière, tenues de protection adéquates, confinement et isolation des particules dangereuses.

Alimentation

La Communauté européenne a fixé des doses de radioactivité à ne pas dépasser dans les aliments : le lait ne doit pas dépasser 500 Bq/l pour l'iode 131. Dans certains länder allemands, les normes sont beaucoup plus sévères (100 Bq/l en Sarre, 20 Bq/l en Hesse et Hambourg).

Voir article détaillé contamination radioactive

Principaux éléments radioactifs

• curium ²⁴²Cm et ²⁴⁴Cm
• américium ²⁴¹Am
• plutonium ²³⁹Pu et ²⁴¹Pu
• uranium ²³⁵U et ²³⁸U
• thorium ²³⁴Th
• radium ²⁴²Ra
• polonium ²¹⁰Po
• césium ¹³⁴Cs, ¹³⁵Cs et ¹³⁷Cs
• iode ¹²⁹I, ¹³¹I et ¹³³I
• antimoine ¹²⁵Sb
• ruthénium ¹⁰⁶Ru
• strontium ⁹⁰Sr
• krypton ⁸⁵Kr et ⁸⁹Kr
• sélénium ⁷⁵Se
• cobalt ⁶⁰Co
• chlore ³⁶Cl
• soufre ³⁵S
• phosphore ³²P
• carbone ¹⁴C
• tritium ³H

Notes