Notions de base de radioactivité

L’atome

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes, élément de base de petite taille (de l’ordre de l’Angström ou 0,000 000 000 1 m) qui permet de construire notre univers. On compte 92 atomes naturels ayant chacun des propriétés qui leurs sont propres. Ces atomes peuvent se combiner entre eux, reliés par les liaisons chimiques de diverses natures.

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Chaque atome est constitué d’un noyau autour duquel il y a un nuage d’électrons. Le noyau est chargé positivement et les électrons négativement, de façon à ce que l’ensemble soit neutre. Le noyau est environ 100.000 fois plus petit que l’atome et regroupe pratiquement toute la masse. C’est le cortège d’électrons qui va donner à l’atome ses propriétés chimiques, à savoir sa capacité à se lier à d’autres atomes pour former des structures com-plexes. On a l’habitude de dire que les électrons « gravitent » autour du noyau, il s’agit là d’une image qui a ses limites. Une description précise nécessite la mécanique quantique.

Chaque atome peut être caractérisé par son nombre d’électrons et à chaque nombre, on associe un nom. Ainsi un atome avec un noyau possédant une charge positive et autour duquel il y a un électron est appelé hydrogène et est représenté par le symbole H. Pour deux charges, il s’agit de l’hélium (He) et ainsi de suite jusqu’à lâuranium, qui a 92 charges. Au-delà, il existe d’autres atomes qui ont été créés par l’homme et que l’on nomme artificiel. Le plutonium, avec 94 charges, en est un exemple.

Il y a donc une correspondance entre le nombre de charges et les propriétés des atomes. L’hydrogène a tendance à pouvoir se lier avec l’oxygène pour former de l’eau, alors que l’hélium ne se lie pas avec d’autres atomes.

Si on arrache un ou plusieurs électrons à un atome ou si on lui en rajoute, on obtient un corps chargé positivement ou négativement, suivant le cas. On l’appelle alors un ion. Ses propriétés chimiques sont modifiées.

Le noyau

Le noyau possède un nombre donné de charges positives qui permet de lui donner le nom de l’atome correspondant. Les particules qui donnent la charge au noyau sont appelées proton. Chaque proton porte une charge positive élémentaire. Le noyau d’hydrogène est constitué d’un proton, celui d’hélium, de deux protons… A ces particules, s’ajoutent des particules neutres appelées neutrons.

Ensembles, les protons et les neutrons, de masse et taille semblables, forment la masse du noyau. On appelle nucléon, les particules du noyau, qui peuvent être indifféremment un proton ou un neutron. Un noyau est donc caractérisé par deux nombres, le nombre de protons, appelé généralement Z et le nombre total de nucléons appelé A. Z donne donc le nombre de charges et donc permet d’identifier l’atome correspondant. Deux noyaux qui ont le même nombre de charges et qui correspondent donc au même atome, mais qui un nombre de nucléons (et donc de neutrons) différents, sont appelés isotopes.

Exemple : un atome constitué de 6 électrons et donc 6 protons (Z=6) est appelé carbone. Mais on trouve dans la nature, du carbone ayant 6 ou 8 neutrons, ce qui fait un nombre total de 12 ou 14 nucléons (A=12 ou 14). Si on veut préciser de quel isotope on veut parler, on dira carbone 12 (noté 12C) ou carbone 14 (noté 14C).

Dans la nature, le nombre de neutrons est généralement au moins égal au nombre de protons. Il est possible de fabriquer des noyaux trop riches ou déficients en neutrons, qui vont se désintégrer en un autre noyau. Cette désintégration s’accompagne d’un rayonnement, on parle donc alors de noyau, isotope ou élément radioactif. Si le noyau ne se désintègre pas spontanément, on parle d’élément stable.

Les protons et les neutrons sont eux aussi constitués d’une structure interne, ils sont constitués de quarks. Mais nous arrêterons là pour la description de l’infiniment petit.

La radioactivité

La radioactivité accompagne une transformation du noyau de l’atome. Avant la transformation, on parle de noyau père, après, de noyau fils. Il peut y avoir plusieurs transformations successives avant d’arriver à un noyau stable. On parle alors de chaîne de désintégration. Lors d’un désintégration, il y a émission d’un ou plusieurs types de rayonnements.

On observe trois types de rayonnements émis :

Rayonnement alpha (α) :

alpha

C’est une particule composée de deux protons et de deux neutrons extrêmement liés entre eux (noyau d’hélium) et animée d’une grande vitesse. L’émission alpha ne concerne que les noyaux lourds présentants un excès de protons (en général A>200). Le noyau fils possède donc deux protons et deux neutrons en moins. Exemple, la désintégration du radium en radon :

226Ra -> 222Rn + α.
Le rayonnement alpha étant constitué d’une particule lourde, il est très peu pénétrant, une simple feuille de papier peut l’arrêter.

Rayonnement bêta (β) :

C’est une particule, électron (β-) ou positron (β+), animée d’une grande vitesse. Il

beta

accompagne la transformation d’un neutron en proton (β-), ou d’un proton en neutron (β+). Exemple, la désintégration du tritium en hélium : 3H -> 3He + β. L’électron ou le positron étant des particules légères, le rayonnement β est beaucoup plus pénétrant. Comme les particules sont chargées, elles interagissent facilement avec la matière. Il faut une feuille métallique de cm d’épaisseur pour arrêter ce rayonnement.

Rayonnement gamma (γ) :

C’est un rayonnement électromagnétique analogue à celui de la lumière mais beaucoup plus énergétique. On parle de photons gamma. Leur émission suit généralement une désintégration alpha ou bêta et correspond à un réarrangement des nucléons à l’intérieur du noyau fraichement transformé.

gamma

Le photon étant une particule sans masse, elle est très pénétrante et n’étant pas chargée, elle interagit peu avec la matière. Il faut un épaisseur de béton de cm pour l’atténuer.

La désintégration des noyaux suit une loi exponentielle décroissante en fonction du temps. Au bout d’un certain temps, appelé période ou demi-vie, la quantité d’un radio-élément donné est divisée par deux. Au bout de deux période, il n’en restera plus d’un quart, après trois périodes, un huitième, après 10 périodes, un millième… Sachant que les périodes observées en fonction des atomes étudiés vont de temps infiniment cours aux millions d’années, c’est une grandeur indispensable pour appréhender les problèmes de radioactivité.

L’activité d’un radioélément correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent par unité de temps. L’unité de mesure est le becquerel (Bq) et correspond à une désintégration par seconde. L’ancienne unité est le curie (Ci). Un curie correspond à l’activité d’un gramme de radium et vaut 37 000 000 000 Bq.

Effets des rayonnements sur la matière

Les effets des rayonnements sur la matière sont très compliqués car ils dépendent du rayonnement étudié et du matériau concerné. Comme il est impossible de formaliser ces interactions rayonnement-matière au cas par cas, on étudie généralement l’énergie déposée dans le matériau pour quantifier. On parle alors de dose absorbée. On défini donc le gray (Gy) comme une unité d’énergie (joule) déposée par kilogramme de matière : 1Gy = 1J/kg. Plus l’énergie déposée est grande, plus le rayonnement a interagi avec la matière. Le rad correspond à l’ancienne unité : 1 Gy = 100 rad.

Quand la matière sous rayonnement est composée de tissus humains, on essaye de tenir compte de la nature du rayonnement en fonction des dommages probables qu’il peut créer. On affecte un coefficient multiplicatif k qui dépend de la nature du rayonnement et qui tient compte de la différence irradiation/contamination. Par exemple, dans le cas d’une contamination, k est choisi égal à 1 pour les rayonnements gamma et à 10 pour les rayonnements alpha.

Dose efficace

Cette grandeur de protection sanitaire a été introduite par la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR) en 1991 dans sa publication n°60, laquelle a été source d’inspiration pour la directive Euratom 96/29 et sa transposition en droit Français, lesquelles traitent de la protection sanitaire de la population et des travailleurs contre les dangers des rayonnements ionisants.

Cette grandeur a pour objectif d’évaluer les détriments en termes d’effets stochastiques (cancers) au niveau du corps entier. Elle tient compte du type de rayonnement (α, β, γ, etc.) et de la radiosensibilité des organes exposés.

Elle est exprimée en Siervert (Sv). Les sous-multiples sont :

  • le milli-sievert (mSv) avec 1 Sv = 1000 mSv
  • le micro-sievert (µSv) avec 1µSv = 1000 000 µSv

La réglementation fixe une limite « annuelle » individuelle autant pour les travailleurs exposés (et donc classés) que pour ceux qui ne le sont pas ou qui sont des personnes du public :

  • 1 mSv pour le public ou pour les travailleurs non classés (ex : une secrétaire ou un travailleur qui n’intervient pas en zone)
  • 20 mSv pour les travailleurs classés

 Récapitulatif des grandeurs et unités

Grandeur Unité Définition
Période physique ou demi-vie seconde, minute, jourou année  Représente le temps au bout duquel la masse (ou l’activité) d’un radioélément a été divisée par deux.
Activité Becquerel (Bq) 1 Bq = 1 désintégration par secondeCorrespond au nombre de radioéléments qui se désintègrent par unité de temps

 

L’ancienne unité était le curie (Ci) : 1 Ci = 37 MBq

Dose absorbée Gray (Gy) Quantité d’énergie absorbée par la matière vivante ou inerte et par unité de masse.
Dose efficace Sievert (Sv) Proche de la dose absorbée, cette grandeur tente de traduire les dommages radiologiques occasionnés.La réglementation fixe une limite annuelle de 1 mSv par an pour le public.

 

Ancienne unité :

Le rem (Roentgen Equivalent Man) ; 1Sv = 100 rem

 

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