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Radioactivité

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 (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un...) 238 de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic,...) (238U), l'isotope 232 du thorium (232Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro atomique 19.) (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 (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.) et du radon (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...).

Un des radioéléments naturels les plus utilisés par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est...) 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 (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de radioactivité et d'isotope, sont des atomes dont le noyau est instable. Cette instabilité peut être due soit à...) naturel est le radiocarbone, c'est-à-dire l'isotope 14 du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (14C). Ce dernier est constamment produit dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques interagissant avec l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...), 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) qui fait que la concentration du 14C reste plus ou moins constante au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) et dans les organismes vivants qui respirent cet air. Une fois un organisme mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des...), la concentration en 14C diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette datation au radiocarbone est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la 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 :

ZAX → Z-2A-4Y + 24He.

Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) 2e, et une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) de 4,001 505 8 unités de masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée...).

La radioactivité bêta moins-) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants...) en proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino ν :

ZAX → Z+1AY + -10e + 00ν.

La radioactivité bêta plus+) 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 (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) ν :

ZAX → Z-1AY + 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de la...) 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'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en...). L'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants :...) d'un organisme entraîne des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé, selon les doses de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) reçues et le type de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) concerné.

Historique

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (Antoine Henri Becquerel est un physicien français né le 15 décembre 1852 à Paris et décédé le 25 août 1908 au Croisic.) (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 (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles...) 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 (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.), ce nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895) par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les...) 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 (Pierre Curie (15 mai 1859 à Paris - 19 avril 1906 à Paris) est un physicien autodidacte français. Il est principalement connu pour ses travaux en radioactivité et en...) (1859-1906), fit de la radioactivité le sujet de sa thèse de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce...), 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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 (Le tube cathodique (CRT ou Cathode Ray Tube en anglais), fut inventé par Karl Ferdinand Braun. Le dispositif est constitué d'un filament chauffé, de cathodes et d'anodes en forme de lentilles trouées...), et que les γ sont, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du...) uranifère, Marie Curie (Maria Sk?odowska-Curie (née à Varsovie le 7 novembre 1867 et décédée à Sancellemoz le 4 juillet 1934), connue en...) 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.

« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du Dr Alfred Curie... »
« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du Dr Alfred Curie... »

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 (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance...). D'autre part, les effets mutagènes des radiations, en particulier les risques de cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière que...), 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) 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 ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des...) 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 (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs définitions...). On a en effet :

dN = − λNdt

où la constante de proportionnalité λ, appelée constante radioactive du radionucléide considéré, possède la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien...) de l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) 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) T_{\frac{1}{2}} la durée au bout de laquelle le nombre de radionucléides présents dans l'échantillon est réduit de moitié. On a donc :

\frac{N_0}{2} = N_0 e^{-\lambda T_{\frac{1}{2}}} \Rightarrow e^{\lambda T_{\frac{1}{2}}}= 2 \Rightarrow T_{\frac{1}{2}} = (\ln{2}) \lambda^{-1} \Rightarrow T_{\frac{1}{2}} = 0.693 \lambda^{-1}

Propriétés pénétratives des rayonnements α, β et γ

Le rayonnement α est arrêté par une feuille de papier.Le rayonnement β est arrêté par une feuille d'aluminiumLe rayonnement γ est arrêté par de grandes épaisseurs de matériaux denses, comme le plomb.
Le rayonnement α est arrêté par une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À...) de papier.
Le rayonnement β est arrêté par une feuille d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de...)
Le rayonnement γ est arrêté par de grandes épaisseurs de matériaux denses, comme le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.).

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

  • rayonnement α : un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est...) 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) 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 (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et...) (239Pu) est un émetteur α–γ, l'isotope 59 du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme...) (59Fe) est un émetteur β–γ.

Interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) des rayonnements avec la matière

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) 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 (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) 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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. ...) 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 (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) par exemple) le nombre de désintégrations par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...). Le curie (Ci) était autrefois : il se définit comme l'activité d'un gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) de radium, soit 37 × 10? désintégrations par seconde, soit 37 Bq = 1 nCi.

On peut également utiliser le coulomb par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) (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 (L'abréviation rad désigne habituellement le radian, une unité d'angle.). 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) (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 = D \times S \times Q
  • 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 (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.), mais important pour les gonades, le système nerveux, les cellules de la moelle osseuse (La moelle osseuse est tissu situé au centre des os. Il y en a deux formes: la moelle jaune (tissu adipeux) qui prend le nom de moelle grise en vieillissant et la moelle rouge qui est responsable de l'hématopoïèse:...) ou de l'intestin (L'intestin est la partie du système digestif qui s'étend de la sortie de l'estomac à l'anus. Chez les humains et la plupart des...),
  • 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 (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) à risque. À titre d'exemple, les personnes vivant en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une des...) 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 (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) 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 (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...) est en permanence soumise à un flux de particules de haute énergie en provenance de l'espace et du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...), 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 (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...) les couches rocheuses.

Radioactivités « naturelle » et « artificielle »

On parle parfois, par abus de langage, de « radioactivité naturelle » pour désigner le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) 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 (La radioprotection désigne l'ensemble des mesures prises pour assurer la protection de l'homme et de son environnement contre les effets néfastes des rayonnements ionisants.)

Activité naturelle

Le rayonnement tectonique (La tectonique (du grec « τ?κτων » ou « tekt?n » signifiant batisseur, charpentier) est l'étude des structures géologiques...) 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 (Le mot massif peut être employé comme :) central en France, en particulier à cause d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) radioactif, le radon.

La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,40 mSv au niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de référence adéquat.), mais double à 1 500 m d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...).

Risque sanitaire

Logo de l'AIEA
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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 (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à condition qu'il...) de la radioactivité :

  • exposition à des rayonnements ionisants par une source radioactive à distance
  • contamination radioactive (La contamination radioactive, c'est lorsqu'un produit radioactif se dépose sur un objet ou un être, ou bien est ingéré ou inhalé par un être. La...) si l'on avale ou l'on respire un produit radioactif

Les normes internationales, basée sur les conséquences épidémiologiques de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus...) 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 (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) 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 (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de...), digestion (La digestion est le processus au cours duquel un organisme vivant reçoit du milieu extérieur des aliments (eau, molécules organiques et minéraux), les modifie afin de...), reproduction). (lien)

Dose radiative (En physique nucléaire et en radioprotection, la dose radioactive ou plus concisément la dose désigne l'énergie déposée par unité de masse par un...)

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 (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) 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 (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant...) médical, le patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant une attention médicale ou à qui est prodigué un soin.) 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 (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.), 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 (L'iode est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole I et de numéro atomique 53.) 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 (Le polonium est un élément chimique de symbole Po et de numéro atomique 84. C'est un métalloïde dont l'isotope 210Po est présent naturellement à...) 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 (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) 36Cl
  • soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) 35S
  • phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) 32P
  • carbone 14C
  • tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford,...) 3H

Notes

  1. Avant la découverte de la radioactivité, Lord Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...) avait estimé l'âge de la Terre à quelque vingt millions d'années, en supposant que la seule source d'énergie capable de s'opposer au refroidissement était la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) libérée par la contraction gravifique. Un âge de seulement quelques dizaines de millions d'années fut considéré beaucoup trop court par les géologues, et un débat assez virulent s'ensuivit entre la communauté des géologues et celle des physiciens. Celui-ci ne devait prendre fin qu'une vingtaine d'années après la découverte de la radioactivité, trop tard pour Kelvin de faire amende honorable. Plus tard, les physiciens ont pu apporter aux géologues des méthodes de datation absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à...) des roches très importantes qui se basent sur la radioactivité et les abondances actuelles de certains radioéléments et de leurs produits de désintégration (cfr. radiochronologie).
  2. Cette terminologie est indiquée par exemple dans l'ouvrage de
    • J.P. Sarmant (1988). Dictionnaire Hachette de Physique, Hachette, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre...). ISBN 2-01-007597-8.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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