La
radioactivite
est le
phenomene physique
par lequel des
noyaux atomiques
instables (dits radionucleides ou
radioisotopes
) se transforment spontanement en d'autres atomes (
desintegration
) en emettant simultanement des particules de matiere (
electrons
,
noyaux
d'
helium
,
neutrons
,
etc.
) et de l'
energie
(
photons
et
energie cinetique
). La radioactivite a ete decouverte en
1896
par
Henri Becquerel
dans le cas de l'
uranium
, et tres vite confirmee par
Pierre
et
Marie Curie
pour le
radium
. C'est cette derniere qui introduit a cette occasion les termes de
radioactivite
et
radioelement
[
1
]
.
L'emission de particules materielles et immaterielles est appelee rayonnement, et l'energie des particules est suffisante pour entrainer l'ionisation de la matiere traversee, d'ou le nom de
rayonnements ionisants
. On distingue classiquement les rayons α constitues de noyaux d'helium (egalement appeles
particules α
), les rayons β constitues d'electrons ou de positons (
particules β
) et les
rayons γ
constitues de
photons
, auxquels il faut ajouter les neutrons qui derivent des
fissions spontanees
.
Les effets sur un organisme vivant d'une exposition aux rayonnements ionisants (
irradiation
) dependent du niveau et de la duree de l'exposition (aigue ou chronique), de la nature du
rayonnement
ainsi que de la localisation de la radioactivite (exposition externe, interne, en surface,
etc.
).
Les rayonnements provenant de substances radioactives sont largement utilises dans l'industrie pour le controle de pieces manufacturees, les soudures, l'usure, et en
medecine nucleaire
a des fins de diagnostic a
faible dose
, et a des fins therapeutiques a forte dose pour soigner les cancers. Lors des differents usages de la radioactivite, il convient naturellement de suivre les mesures de
prevention
, de protection et de controle adaptees au niveau de radioactivite.
Mise en evidence et explication de la radioactivite
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]
La radioactivite fut observee pour la premiere fois par
Abel Niepce de Saint-Victor
en 1857 puis redecouverte en
1896
[
a
]
par
Henri Becquerel
(1852-1908), lors de ses travaux sur la
phosphorescence
: les matieres phosphorescentes emettent de la lumiere dans le noir apres exposition a la lumiere, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les
tubes cathodiques
exposes aux
rayons X
pouvait etre liee au phenomene de phosphorescence. Son experience consistait a sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec differents materiaux phosphorescents. Tous ses resultats d'experience furent negatifs, a l'exception de ceux faisant intervenir des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique a travers la couche de papier.
Cependant, il apparut bientot que l'impression de l'emulsion photographique n'avait rien a voir avec le phenomene de phosphorescence, car l'impression se faisait meme lorsque l'uranium n'avait pas ete au prealable expose a la lumiere. Par ailleurs, tous les composes d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium metallique. De plus, les physiciens
Julius Elster
(en)
et
Hans Gleiter
(en)
montrent des 1898 que le phenomene n'est sensible ni a la temperature, ni a la pression ni a un bombardement d'electrons
[
3
]
.
A premiere vue, ce nouveau rayonnement etait semblable au rayonnement X, decouvert l'annee precedente (en
1895
) par le physicien allemand
Wilhelm Rontgen
(1845-1923). Des etudes ulterieures menees par Becquerel lui-meme, ainsi que par
Marie Curie
(1867-1934) et
Pierre Curie
(1859-1906), ou encore par
Ernest Rutherford
(1871-1937), montrerent que la radioactivite est nettement plus complexe que le rayonnement X. En particulier, ils decouvrirent qu'un
champ electrique
ou
magnetique
separait les rayonnements ≪ uraniques ≫ en trois faisceaux distincts, qu'ils baptiserent α, β et γ. La direction de la deviation des faisceaux montrait que les particules α etaient chargees positivement, les β negativement, et que les rayonnements γ etaient neutres. En outre, la magnitude de la
deflexion
indiquait nettement que les particules α etaient bien plus massives que les β.
En faisant passer les rayons α dans un
tube a decharge
et en etudiant les
raies spectrales
ainsi produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitue d'helions, autrement dit de noyaux d'
helium
(
4
He). D'autres experiences permettaient d'etablir que les rayons β sont composes d'electrons comme les particules dans un
tube cathodique
, et que les rayons γ sont, tout comme les rayons X, des photons tres energetiques. Par la suite, on decouvrit que de nombreux autres elements chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de
pechblende
, une roche uranifere, Marie Curie reussit a isoler quelques milligrammes de radium dont les proprietes chimiques sont tout a fait similaires a celles du
baryum
(ces deux
elements chimiques
sont des
metaux alcalino-terreux
), mais qu'on arrive a distinguer a cause de la radioactivite du radium.
En 2024, des desintegrations α sont detectees individuellement grace au recul de billes de
silice
contenant le
radioisotope
, de taille
micrometrique
. La detection du minuscule recul d'un objet plus de
10
12
fois plus massif que les particules emises est rendue possible grace a des techniques d'
opto-mecanique
en
levitation
. La mesure est sensible a toutes les particules emises lors de la desintegration, y compris les particules neutres qui pourraient echapper a la detection par les techniques existantes. L'observation d'un changement dans la
charge
nette de la bille coincidant avec le recul permet d'identifier les desintegrations avec un
bruit de fond
de l'ordre du
μBq
[
4
]
,
[
5
]
.
Mise en evidence des dangers de la radioactivite
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]
Les dangers des
rayonnements ionisants
pour la sante ne furent pas immediatement reconnus. Ainsi,
Nikola Tesla
(1856-1943), en soumettant volontairement en
1896
ses propres doigts a une irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation etaient des brulures qu'il attribua, dans une publication, a la presence d'
ozone
. D'autre part, les effets mutagenes des radiations, en particulier les risques de
cancer
, ne furent decouverts qu'en
1927
par
Hermann Joseph Muller
(1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des medecins et des societes attribuaient aux matieres radioactives des proprietes therapeutiques : le
radium
, en particulier, etait populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou de pastilles. Marie Curie s'est elevee contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur le corps n'etaient pas encore bien compris. Durant les
annees 1930
, les nombreuses morts qui ont semble pouvoir etre reliees a l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette mode et, actuellement, la radiotherapie n'est appliquee qu'a bon escient dans les hopitaux, notamment pour soigner des cas de cancers averes ou, eventuellement, d'autres maladies graves.
La ≪ desintegration ≫ (en physique, elle correspond a la transformation de la matiere en energie) d'un
noyau radioactif
peut entrainer l'emission de
rayonnement α
,
β
?
ou
β
+
. Ces desintegrations sont souvent accompagnees de l'emission de
photons
de haute energie ou
rayons
γ
, dont les
longueurs d'onde
sont generalement encore plus courtes que celles des
rayons X
, etant de l'ordre de 10
?11
m
ou inferieures. Cette
emission gamma
(
γ
) resulte de l'emission de photons lors de transitions nucleaires : du rearrangement des charges internes du noyau nouvellement forme, ou bien de la couche profonde du cortege electronique perturbe, a partir de niveaux d'energie excites avec des energies mises en jeu de l'ordre du
MeV
.
Les principaux modes de desintegration sont la
desintegration α
, la
desintegration β
?
et la
desintegration ε
. D'autres modes concernent surtout des
nucleides synthetiques
: la
desintegration β
+
, l'
emission de neutrons
, l'
emission de protons
et la
fission spontanee
[
6
]
. Par ailleurs la
radioactivite
γ
, qui n'est pas due a une desintegration a proprement parler mais a une
transition nucleaire
, accompagne souvent les differents modes de desintegration.
- A
Z
X
?
A
?4
Z
?2
Y
+
4
2
He
.
- La particule α, de
charge
2
e
(ou
e
designe la
charge elementaire
), emporte sous forme d'
energie cinetique
une fraction de l'
energie de masse
liberee par la desintegration.
- A
Z
X
?
A
Z
+1
Y
+
0
-1
e
?
+
0
0
ν
e
.
- A
Z
X
+
0
?1
e
?
?
A
Z
?1
Y
+
0
0
ν
e
.
- A
Z
X
?
A
Z
?1
Y
+
0
1
e
+
+
0
0
ν
e
.
- A
Z
X
?
A
?
n
Z
Y
+
n
1
0
n
.
- Le nombre
n
peut etre egal a 1 (exemples :
4
1
H
,
5
2
He
,
13
4
Be
), a 2 (
5
1
H
,
10
2
He
), a 3 (
6
1
H
) ou a 4 (
6
1
H
,
7
1
H
).
- A
Z
X
?
A?
n
Z?
n
Y
+
n
1
1
p
.
- Le nombre
n
peut etre egal a 1 (exemples :
53m
27
Co
,
151
71
Lu
,
147
69
Tm
) ou a 2 (
45
26
Fe
,
54
30
Zn
).
Le
mode de desintegration
d'un nucleide radioactif depend de sa position par rapport aux nucleides (
stables
ou moins instables) de la
vallee de stabilite
les plus proches de lui dans le
tableau
Z
-
N
(figure ci-contre). D'une facon generale, les nucleides situes a gauche de la vallee ont trop de neutrons (en comparaison de leur nombre de protons) et subissent une
desintegration β
?
; les nucleides situes a droite sont excedentaires en protons et subissent une desintegration ε (
capture electronique
) ou plus rarement une
desintegration β
+
; les nucleides de
masse atomique
superieure a 208 et proches de la vallee subissent une
desintegration α
. Il y a diverses exceptions, qui s'expliquent notamment par des considerations de cinetique.
Les desintegrations α, β
?
et β
+
sont souvent accompagnees de l'emission de photons de haute energie ou
rayons gamma
, dont les longueurs d'onde sont generalement encore plus courtes que celles des
rayons X
, etant de l'ordre de 10
?9
m
ou inferieures. Cette emission gamma (γ) resulte de transitions a partir de niveaux d'energie excites du noyau. Le spectre emis est un spectre de raies qualitativement comparable aux spectres infrarouge, optique et ultraviolet qui resultent des transitions entre les differents niveaux d'energie dans les atomes, mais quantitativement la difference provient du fait que les energies mises en jeu dans le cortege electronique des atomes sont de l'ordre de l'
electron-volt
(eV), alors que dans les noyaux atomiques elles sont environ un million de fois plus elevees et de l'ordre du
MeV
.
La radioactivite peut provenir de radioelements (ou radioisotopes)
naturels
ou
artificiels
, ces derniers etant produits au laboratoire et dans des
reacteurs nucleaires
fabriques par les etres humains ou se constituant tout a fait exceptionnellement de facon spontanee dans la nature, comme celui qui semble avoir fonctionne il y a deux milliards d'annees sur le
site d'Oklo au Gabon
, ou encore lors d'explosions de
bombes atomiques
. Dans le premier cas, on parle alors souvent de
radioactivite naturelle
, pour insister sur le fait que la radioactivite est produite par des radioelements se rencontrant avec des abondances plus ou moins grandes (mais toujours assez faibles) dans la nature. Dans le deuxieme cas, on parle de
radioactivite artificielle
, terme consacre depuis que les epoux
Frederic Joliot
et
Irene Curie
ont recu en 1935 le
prix Nobel de chimie
≪ pour la decouverte de la radioactivite artificielle ≫
[
7
]
Les radioelements les plus frequents dans les roches terrestres sont l'
uranium 238
:
238
U ou U(92,238), le
thorium 232
:
232
Th ou Th(90,232), et surtout le
potassium 40
:
40
K ou K(19,40). 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 elements instables produits lors de la suite de desintegrations des isotopes mentionnes, par exemple de divers isotopes du
radium
et du
radon
.
Un des radioisotopes naturels les plus utilises par l'homme est l'isotope 235 de l'uranium (
235
U
), qui se trouve dans la nature en faible proportion (moins de 1 %), associe a l'isotope
238
U, mais dont on modifie la proportion par des techniques d'
enrichissement de l'uranium
pour qu'il puisse servir de combustible pour la production d'
energie nucleaire
et d'explosif pour la production de bombes atomiques.
Un autre radioisotope naturel est le
carbone 14
, c'est-a-dire l'isotope 14 du carbone (
14
C). Celui-ci est constamment produit dans la haute atmosphere par des
rayons cosmiques
interagissant avec l'azote et se detruit par desintegrations radioactives a peu pres au meme taux qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un equilibre dynamique et que la concentration du
14
C reste plus ou moins constante au cours du temps dans l'air et dans les organismes vivants qui l'ingerent (
photosynthese
, nutrition,
etc.
). Une fois l'organisme mort, la concentration en
14
C diminue dans ses tissus, ce qui permet de dater le moment de la mort. Cette
datation au radiocarbone
est un outil de recherche tres prise en
archeologie
et permet de dater avec une bonne precision des objets organiques dont l'age ne depasse pas 50 000 ans.
Un
radioisotope
quelconque a autant de chances de se desintegrer a un moment donne qu'un autre radioisotope de la meme
espece
, et la desintegration ne depend pas des conditions physico-chimiques dans lesquelles le nucleide se trouve. En d'autres termes, la loi de desintegration radioactive est une
loi statistique
.
Soit
le nombre d'
atomes
(donc de
noyaux atomiques
) d'une espece radioactive donnee presents dans un echantillon a un instant
quelconque. Comme la probabilite de desintegration d'un quelconque de ces noyaux ne depend pas de la presence des autres especes de
radionucleides
ni du milieu environnant, le nombre total de desintegrations pendant un intervalle de temps
,
(chaque desintegration entrainant la disparition de l'un des noyaux), est proportionnel au nombre
de noyaux radioactifs de meme espece presents et a la duree
de cet intervalle :
- (
,
).
En integrant l'equation differentielle precedente, on trouve la loi de
decroissance exponentielle
du nombre
de radionucleides presents dans le corps a un instant
quelconque, en appelant
le nombre des radionucleides presents a l'instant
:
- .
La
demi-vie
est la duree au bout de laquelle la moitie d'un echantillon radioactif est desintegree, le nombre de noyaux fils atteignant la moitie du nombre de noyaux peres. On montre que :
- .
Demonstration
Par definition de
Interaction entre les rayonnements et la matiere
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|
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]
Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matiere des ionisations et des
excitations
. La facon dont se produisent ces ionisations depend du type de rayonnement considere :
- rayonnement α
: un noyau atomique instable emet une particule lourde chargee positivement constituee de deux
protons
et de deux
neutrons
(noyau d'
helium
4). En traversant la matiere, cette particule interagit principalement avec le cortege electronique des atomes du materiau traverse, ce qui les excite ou les ionise. Ce mecanisme se produit sur une tres courte distance car la
section efficace
d'interaction est elevee : le pouvoir de penetration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de
papier
ou 4 a 5
cm
d'air les arretent totalement) et par consequent le depot d'energie par unite de longueur traversee sera eleve. Cette energie dissipee dans la matiere traversee se traduira par des excitations et des ionisations et donne lieu a des rayonnements secondaires ;
- rayonnement β-
: un noyau atomique instable emet une particule legere et chargee negativement (un
electron
) qu'une feuille d'
aluminium
peut arreter. Cependant ce rayonnement interagit avec la matiere en provoquant des
excitations
et des
ionisations
par
diffusion
. Le
parcours
des electrons dans la matiere est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques metres maximum dans l'air). La perte d'energie du rayonnement beta par unite de longueur traversee sera, toute autre chose etant egale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de meme du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unite de longueur. Dans certains cas (electron de forte energie et materiau traverse de masse atomique elevee) l'emission d'un
rayonnement de freinage
electromagnetique est possible ;
- rayonnement β+
: un noyau atomique instable emet une particule legere et chargee positivement (un
positron
) qui interagit, apres avoir ete ralenti, avec un electron du milieu provoquant son
annihilation
et la production de deux rayons gamma de
511
keV
chacun ;
- rayonnement γ
: un noyau atomique qui ne souffre pas d'un desequilibre
baryonique
, mais qui se trouve dans un etat d'energie instable, emet un
photon
tres energetique, donc tres penetrant, pour atteindre un etat d'energie stable ; il faut environ 1 a 5 centimetres de
plomb
pour l'absorber
[
8
]
. Il n'y a guere de difference entre les rayons X durs et le rayonnement γ ? seul leur origine les differencie. En general, l'
emission de rayons γ suit une desintegration α ou β
, car elle correspond a un rearrangement des
nucleons
, et notamment a une reorganisation de la charge electrique a l'interieur du nouveau noyau. On rencontre donc frequemment un noyau radioactif emettant simultanement plusieurs types de rayonnements : par exemple, l'isotope 239 du
plutonium
(
239
Pu) est un emetteur α?γ, l'isotope 59 du
fer
(
59
Fe) est un emetteur β?γ. Le rayonnement gamma est un faisceau de
photons
sans
charge electrique
ni
masse
. En traversant la matiere, il provoque trois types d'interactions :
- Ces mecanismes produiront,
in fine
, des excitations et ionisations dans le materiau traverse. Le rayonnement gamma et les neutrons ont un fort pouvoir de penetration dans la matiere, plusieurs decimetres de
beton
pour le rayonnement γ ; un ecran en plomb d'une epaisseur de 50
mm
arrete 90 % du rayonnement γ (≪
ecran dixieme
≫).
La nature des lois physiques permettant de calculer les
parcours
ou l'attenuation des rayonnements dans la matiere est differente selon les rayonnements consideres :
- les rayonnements gamma et les flux neutroniques ne sont jamais completement arretes par la matiere. C'est pourquoi le flux de photons emergeant d'un ecran sera faible, voire quasi-indetectable, mais jamais nul. Voir
Couche de demi-attenuation
;
- les lois physiques qui traduisent le parcours des rayonnements alpha et beta montrent qu'au-dela d'une certaine distance, il est impossible que des particules puissent etre retrouvees : le rayonnement incident peut donc etre completement bloque par un materiau qui joue le role d'ecran. Voir
Parcours d'une particule
.
Les
defauts cristallins
induits par ces rayonnements peuvent servir a dater la formation des
mineraux
riches en elements radioactifs comme l'
uranium
et le
thorium
, s'ils ne sont pas trop nombreux (c'est-a-dire, s'ils peuvent etre reperes individuellement), grace aux
traces de fission
qu'ils laissent dans les
cristaux
.
Mesure de la radioactivite (grandeurs et unites)
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]
Ces grandeurs objectives sont mesurables a l'aide d'appareils de physique (
compteurs
,
calorimetres
, horloges).
- L'
activite
d'une source radioactive se mesure en
becquerels
(Bq), unite correspondant au nombre de desintegrations par seconde, nommee en hommage a
Henri Becquerel
. On utilise quelquefois (en biologie par exemple) le nombre de desintegrations par minute.
- L'
activite massique
ou volumique est plus souvent utilisee. Elle correspond a l'activite rapportee a la masse (Bq/kg) ou au volume de l'echantillon mesure (Bq/L ou Bq/m
3
).
- Le
curie
(Ci) etait autrefois utilise : il se definit comme l'activite d'un gramme de radium, soit 37
GBq
(37 ×?10
9
desintegrations par seconde), donc 37
Bq
= 1
n
Ci
.
- Le
coulomb
par kilogramme (C/kg) peut egalement etre utilise : il mesure l'exposition aux rayonnements
X
et
gamma
(la charge d'
ions
liberee dans la masse d'air). L'ancienne unite equivalente etait le
rontgen
qui correspond au nombre d'ionisations par kilogramme d'air.
- Pour le
radon
, l'energie alpha potentielle volumique (EAP
V
) peut etre mesuree en
joules
par metre cube (J/m
3
). Cela correspond a l'energie des particules alpha emises dans un certain volume par les descendants du radon.
Conversion des differentes unites objectives :
- 1
Ci
? 37 ×?10
9
Bq
= 37
G
Bq
= 3,7 ×?10
10
Bq
- 1
Bq
= 27 ×?10
?12
Ci
= 27
p
Ci
= 2,7 ×?10
?11
Ci
Ce sont des grandeurs non mesurables directement. Elles sont estimees a partir de mesures et de coefficients de ponderation definis par la
CIPR
.
- La
dose absorbee
par la cible est definie comme l'energie recue par unite de masse de la cible, en
joules
par kilogramme, c'est-a-dire en
grays
(Gy) dans le systeme SI. L'ancienne unite etait le
rad
. 1
Gy
=
100
rad
. On definit egalement un debit de dose, c'est-a-dire l'energie absorbee par kilogramme et par unite de temps, mesuree en grays par seconde (Gy/s).
- La
dose equivalente
, H, pour laquelle chaque rayonnement doit etre pondere pour tenir compte de sa nocivite respective. L'unite du Systeme International (
SI
) est le
sievert
(Sv). Lorsque le
rad
etait utilise comme unite de dose absorbee, l'unite de dose equivalente etait le
rem
, acronyme de ≪
rontgen equivalent man
≫.
- La
dose efficace
, E, est la somme ponderee des doses equivalentes
aux organes et tissus T irradies. Elle rend compte du risque d'apparition de cancer. L'unite utilisee est egalement le
sievert
.
Chiffres a considerer avec precaution (non sources) :
Le facteur de risque d'induction de cancer est estime a 4 % par Sv pour une population de travailleurs et a 5 % par Sv pour la population en general. A titre de comparaison, les personnes vivant en Europe occidentale recoivent une dose annuelle naturelle de 3
mSv
dont la moitie est due au radon.
- L'equivalent de dose ambiant, H*(10), est une
grandeur operationnelle
exprimee en
mSv
. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisee pour les mesures de l'environnement.
- L'equivalent de dose individuel, Hp(10), est une
grandeur operationnelle
exprimee en
mSv
. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisee pour les mesures de l'exposition des personnes aux radiations ionisantes dans le cadre de leur profession.
Conversion des differentes unites subjectives :
- 1
rad
= 0,01
Gy
- 1
Gy
=
100
rad
- 1
rem = 0,01
Sv
= 10
mSv
- 1
Sv
=
100
rem
Nature de la source
|
Exposition humaine a la radioactivite selon l'
OMS
[
10
]
|
mSv par personne
et par an
|
Radioactivite naturelle
(en %)
|
Radioactivite artificielle
(en %)
|
Radon
(gaz radioactif naturel dense souvent present dans les rez-de-chaussees)
|
1,3
|
42
|
|
Irradiation d'origine medicale
(
radiographies
,
scanners
,
radiotherapies
,
etc.
)
|
0,6
|
|
20
|
Elements absorbes par
alimentation
(essentiellement du
potassium 40
contenu naturellement dans les aliments)
|
0,5
|
16
|
|
Rayonnement cosmique
|
0,4
|
13
|
|
Rayonnement interne
|
0,2
|
6
|
|
Autres origines artificielles sauf
energie nucleaire
civile
(
industries minieres
diverses, retombees atmospheriques
des
essais nucleaires
militaires, instruments de mesure, certaines methodes de mesure industrielles (telles le controle
de soudures par
gammagraphie
),
etc.
)
|
0,1
|
|
3
|
Energie nucleaire
civile
|
0,01
|
|
0,3
|
Total
|
3,1
|
77
|
23
|
Selon une etude de Solenne Billon
et al.
[
11
]
, l'exposition naturelle a la radioactivite representerait environ 2,5
mSv
sur un total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 a 40
mSv
, selon l'environnement
geologique
et les materiaux d'habitation. Il existe aussi le rayonnement interne du corps : la radioactivite naturelle des atomes du
corps humain
se traduit par environ 8 000 desintegrations par seconde (8 000
Bq
). Ce taux est principalement du a la presence de
carbone 14
et de
potassium 40
dans notre organisme.
On parle de ≪ radioactivite naturelle ≫ pour designer les sources non produites par les activites humaines, comme celle issue du
radon
, de la terre, ou du
rayonnement cosmique
.
A contrario
, on parle de ≪ radioactivite artificielle ≫ pour designer la radioactivite due a des sources produites par les activites humaines : realisation d'examens medicaux (tels les
radiographies
,
tomodensitometries
,
scintigraphies
,
radiotherapies
), elements transuraniens synthetiques, concentrations artificiellement elevees de matieres radioactives ou production artificielle de rayons gamma (dans un
accelerateur de particules
, par exemple). Physiquement, il s'agit exactement du meme phenomene.
La principale source de radioactivite est representee par les
radioisotopes
existants dans la nature et produits lors des explosions des
supernovas
. On trouve des traces de ces elements radioactifs et de leurs descendants dans tout notre
environnement
: un roc de
granite
contient des traces d'
uranium
qui, en se desintegrant, emettent du
radon
.
Les isotopes qui ont subsiste depuis la formation de notre
systeme solaire
sont ceux dont la
periode radioactive
est tres longue : pour l'essentiel, l'
uranium 238
(et dans une moindre mesure l'
uranium 235
), le
thorium 232
et le
potassium 40
. Du fait de leur duree de vie tres longue, leur
activite massique
est necessairement tres faible, et ces composes naturels ne constituent generalement pas un danger important en termes de
radiotoxicite
justifiant des mesures de
radioprotection
.
Le rayonnement tellurique du aux radionucleides presents dans les roches (
uranium
,
thorium
et descendants) est d'environ 0,50
mSv
par an en France
[
11
]
. Il peut cependant etre bien plus important dans certaines regions ou la roche est tres concentree en uranium (regions granitiques telles la
Foret-Noire
en
Allemagne
, la
Bretagne
et le
Massif central
en
France
) ou en
thorium
(region du
Kerala
en
Inde
).
Au rayonnement du aux elements de longue duree de vie s'ajoute celui des radioisotopes qui forment leur
chaine de desintegration
. Ces elements sont generalement a demi-vie beaucoup plus courte, mais de ce fait, ils ne sont presents qu'en quantite tres faible : les lois de la
decroissance radioactive
font qu'a l'≪
equilibre seculaire
≫, leur activite est la meme que celle de l'element
pere
.
Parmi ces descendants il faut citer la presence d'un gaz radioactif
dense
: le
radon
. Du fait de sa volatilite, il est susceptible de migrer dans l'atmosphere et est ainsi responsable a lui seul de la plus grande part de l'exposition humaine moyenne a la radioactivite : 42 % du total. Il est issu de la desintegration de l'uranium 235 (radon 219) et 238 (radon 222) ainsi que du thorium 232 (radon 220) naturellement contenus dans les sols. Dans les regions ou la concentration en uranium dans la roche est elevee, il est souvent present dans les habitations peu ventilees, ou construites sur des sols a fort degagement de radon (rez-de-chaussee, maisons, caves). Il entraine alors une exposition interne consequente a cause de ses descendants a periode radioactive courte (dont fait notamment partie le
polonium
).
D'autre part, la
Terre
est en permanence soumise a un flux de particules primaires de haute energie en provenance essentiellement de l'
espace
et (en bien moindre mesure) du
Soleil
: les
rayons cosmiques
. Le
vent solaire
, et le champ magnetique qu'il entraine, devient une partie des rayons cosmiques ≪ interstellaires ≫ ; le champ magnetique terrestre (la
ceinture de Van Allen
) devie la majeure partie de ceux approchant la Terre. L’
atmosphere
n'absorbant qu’une partie de ces particules de haute energie, une fraction de celle-ci atteint le sol, voire pour les plus energetiques, traverse les premieres couches rocheuses.
La part due au rayonnement cosmique represente environ 32
nGy/h
[
12
]
au
niveau de la mer
. Cette valeur varie en fonction de la latitude et de l'altitude, elle double a 1 500
m
d'altitude.
Ce rayonnement extraterrestre, par un phenomene de
spallation
a partir des noyaux plus lourds presents dans la haute atmosphere, entraine la production de rayonnements et de particules ionisantes secondaires ou tertiaires (neutrons, electrons, alpha, ions, etc.). Ce phenomene est a l'origine, entre autres, de la production de radionucleides cosmiques sur notre planete tels le
carbone 14
et le
tritium
. Ces isotopes ont une demi-vie beaucoup trop courte pour avoir ete presents depuis la formation de la Terre, mais sont en permanence reconstitues.
Le carbone 14 dernier est constamment produit dans la haute atmosphere par des rayons cosmiques interagissant avec l'azote, et se detruit par desintegrations radioactives a peu pres au meme taux qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un equilibre dynamique qui fait que la concentration du
14
C 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
14
C diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette
datation par le carbone 14
est un outil de recherche tres prise en
archeologie
et permet de dater avec une bonne precision des objets organiques dont l'age ne depasse pas cinquante a cent mille ans.
L'activite humaine est une autre source majeure de
rayonnements ionisants
. Principalement, pour 20 % du total des expositions humaines a la radioactivite, par les activites medicales : production de radionucleides par
cyclotron
(pour les
scintigraphies
et
TEP
par exemple). Le reste, representant 3 % du total des expositions humaines, est produit, par ordre d'importance, par :
C'est l'
imagerie medicale
au moyen de
rayons X
qui produit la plus grande part de l'exposition artificielle aux rayonnements ionisants. On ne parle cependant pas de radioactivite car les rayons X ne sont pas issus de
reactions nucleaires
mais d'
excitation
electronique de l'atome
.
Des reseaux de mesures (plus ou moins organises, complets et accessibles au public, selon les pays) couvrent une partie du territoire de nombreux pays, pour mesurer les variations de radioactivite dans l'
eau
, l'
air
, la
flore
, la
faune
(
domestique
ou
sauvage
, dont especes-
gibier
[
13
]
), les aliments, etc.
En France
, depuis
, l'
ASN
a reuni l'essentiel de ces reseaux (l'equivalent d'environ 15 000 mesures mensuelles depuis debut 2009) en un seul portail, le
Reseau national de mesures de la radioactivite de l'environnement
[
14
]
, ≪ […] de maniere a faciliter l'acces […] aux resultats des mesures tout en renforcant l’harmonisation et la qualite des mesures effectuees par les laboratoires ≫. Un site Internet du
Reseau national de mesure de la radioactivite dans l’environnement
(RNM)
[
15
]
, est egalement ouvert depuis le
, notamment alimente par l'IRSN
[
16
]
.
Mi-2011 apres l'
accident nucleaire de Fukushima
et a l’occasion d'une Conference internationale
[
17
]
de
radioecologie
et de radioactivite environnementale le
a Hamilton (Canada)
[
18
]
, huit organismes de recherche europeens, avec le soutien de la
Commission europeenne
, ont cree une
Alliance europeenne en radioecologie
[
19
]
pour mieux integrer la recherche en radioecologie
[
20
]
. Ces organismes sont le BfS (Allemagne), le NERC (Royaume-Uni), le CIEMAT (Espagne), l'
IRSN
(France), le NRPA (Norvege), le
SCK CEN
(Belgique), le
SSM
(Suede), et le STUK (Finlande)
[
18
]
. La commission soutient aussi le
projet STAR
porte par l'Alliance europeenne en radioecologie, l'universite des sciences de la vie de Norvege et l'
universite de Stockholm
sur les themes de
≪ la formation, la gestion et la dissemination de la connaissance ainsi que de la recherche en radioecologie ≫
, en focalisant d'abord leurs efforts sur les sujets suivants :
- ≪ l’integration des methodes d’evaluation du risque radiologique pour l’homme et les ecosystemes ≫
;
- ≪ la recherche sur l’effet des faibles doses sur les ecosystemes ≫
;
- ≪ l’etude des consequences des pollutions mixtes, qui associent les substances radioactives et chimiques ≫
.
Une substance radioactive doit etre reperee par le symbole ? (
Unicode
2622,
UTF-8
E2 98 A2).
- Une ≪ substance radioactive ≫ au sens reglementaire est une substance qui contient des radionucleides, naturels ou artificiels, dont l'activite ou la concentration justifie un controle de radioprotection
[
21
]
.
En ce qui concerne les expositions planifiees a une source radiologique artificielle, un controle de radioprotection doit etre etabli des lors que le debit de dose maximal susceptible d'etre recu par une personne presente est superieur a 2.5
μSv
/h
[
22
]
.
A contrario
, si le
debit de dose
maximal subi est indiscutablement inferieur a cette valeur, la substance ou le produit ne relevent pas de la legislation sur la radioprotection, et ne justifient pas l'application des mesures de radioprotection correspondantes.
Les consequences de la radioactivite sur la sante sont complexes. Le risque pour la sante depend non seulement de l'intensite du rayonnement et la duree d'exposition, mais egalement du type de tissu concerne ? les organes reproducteurs sont 20 fois plus sensibles que la peau (
loi de Bergonie et Tribondeau
ou
loi de la radiosensitivite
). Les effets sont differents selon le vecteur de la radioactivite :
Les normes internationales, basees sur les consequences epidemiologiques de l'
explosion des bombes d'Hiroshima et Nagasaki
, estiment que le risque pour la sante est proportionnel a la dose recue, et que
toute dose de rayonnement comporte un risque cancerigene et genetique
(
CIPR
1990).
La reglementation pour la protection contre les radiations ionisantes est basee sur trois recommandations fondamentales :
- justification
: on ne doit adopter aucune pratique conduisant a une irradiation, a moins qu'elle ne produise un benefice suffisant pour les individus exposes ou pour la societe, compensant le prejudice lie a cette irradiation ;
- optimisation
: l'irradiation doit etre au niveau le plus bas que l'on peut raisonnablement atteindre ;
- limitation de la dose et du risque individuels
: aucun individu ne doit recevoir des doses d'irradiation superieures aux limites maximum autorisees.
De recentes etudes de l'
IRSN
s'interessent aux effets de la contamination radioactive chronique, qui meme a des faibles doses, pourraient ne pas etre negligeables, et pourraient provoquer differentes pathologies atteignant certaines fonctions physiologiques (systeme nerveux central, respiration, digestion, reproduction)
[
23
]
. Mais cette vision est contestee, et d'autres acteurs, dont notamment l'Academie de medecine, estiment au contraire que ces craintes sont inutiles
[
24
]
.
Le principe retenu en radioprotection est de maintenir l'exposition au niveau le plus bas qu'il est raisonnablement possible d'atteindre (principe
ALARA
). Pour faciliter cette optimisation, les sites francais exposes aux radiations ionisantes sont organises en zones dont l'acces est plus ou moins restreint. Ces zones sont delimitees par les debits de doses suivants
[
25
]
:
- zone bleue : d'environ 2,5 a 7,5
μSv h
?1
;
- zone verte : de 7,5 a 25
μSv h
?1
;
- zone jaune : de 25
μSv h
?1
a 2
mSv h
?1
;
- zone orange : de 2 a 100
mSv h
?1
;
- zone rouge : > 100
mSv h
?1
.
L'environnement naturel emet un rayonnement variant de 0,2
μSv h
?1
a 1
μSv h
?1
, avec une moyenne de 0,27
μSv h
?1
(soit 2,4
mSv an
?1
habitant
?1
). Le debit de dose dont on est certain qu'il produit des effets biologiques dangereux se situe a partir de 1
mSv h
?1
, c'est-a-dire en ≪ zone jaune ≫. Les effets varient selon le temps auquel on y est soumis. Les effets statistiquement observables apparaissent pour des doses cumulees superieures a 100
mSv
, soit un stationnement de plus de 50 h (une semaine a plein temps) en zone jaune. Cette exposition peut etre atteinte en 1 h en ≪ zone orange ≫.
La
dose equivalente
est la mesure de dose cumulee d'exposition continue aux radiations ionisantes durant une annee, avec des facteurs de ponderation. Jusqu'en 1992, les doses equivalentes n'etaient pas mesurees de la meme facon en
Europe
et aux
Etats-Unis
; aujourd'hui ces doses sont standardisees.
La dose cumulee d'une source radioactive artificielle devient dangereuse a partir de 500
mSv
(ou
50
rem), dose a laquelle on constate les premiers symptomes d'alteration sanguine. En 1992, la dose efficace (E) maximale pour une personne travaillant sous rayonnements ionisants etait fixee a 15
mSv
sur les 12 derniers mois en Europe (CERN et Angleterre) et a 50
mSv
sur les 12 derniers mois aux Etats-Unis. Depuis
, la dose efficace maximale est passee a 20
mSv
sur les 12 derniers mois.
Lors d'un
scanner
medical, le patient peut par exemple recevoir une dose
moyenne
de 0,05
mSv
(examen local), de 25
mSv
(scanner du crane) ou de 150
mSv
(scanner du corps entier). Pour eviter tout symptome d'alteration sanguine, on se limite a un maximum de trois examens d'organe par an.
En France, la dose annuelle d'origine artificielle autre que les applications medicales maximale est fixee a 20
mSv
(
2
rem) pour les travailleurs et a 1
mSv
(
0,1
rem) pour la population.
Les facteurs qui protegent des radiations sont :
- D
istance (la variation du debit de dose (DDD) est inversement proportionnelle au carre de la distance a la source) ;
- A
ctivite (en centrale nucleaire, on effectue diverses operations pour enlever les sources des conduits) ;
- T
emps (la dose est proportionnelle au temps ; rester le moins longtemps pres de la source) ;
- E
cran (plomber, recouvrir d'acier, betonner, immerger la source, par exemple).
Certains comportements sont susceptibles d'entrainer une surexposition a la radioactivite : un patient qui passe 5 radiographies aux
rayons X
peut subir une dose de 1
mSv
; les passagers et le personnel navigant des avions de ligne, ainsi que les astronautes en orbite, peuvent subir une dose voisine lors d'une
eruption solaire
tres intense. S'ils repetent ces voyages ou effectuent des missions de longues durees, une exposition prolongee accroit le risque d'irradiation.
Le phenomene de radioactivite etant au depart mysterieux parce que mal compris, certaines eaux minerales ou de source en firent quelque temps un argument de vente sur leurs etiquettes :
Bussang
(
Vosges
) declaree d'interet public en 1866,
Velleminfroy
(
Haute-Saone
) autorisee en 1859,
Teissieres
(
Cantal
) autorisee en 1847 et
≪ approuvee par l'Academie de medecine ≫
, et beaucoup d'autres dont les images d'etiquettes sont visibles sur la Toile
[
26
]
. Leurs radioactivites ? faibles, mais reelles ? etaient de l'ordre de celles que l'on trouve naturellement dans quelques regions granitiques, sans reel danger, mais sans effet therapeutique non plus.
La
Communaute europeenne
a fixe des doses de radioactivite a ne pas depasser dans les aliments : le
lait
ne doit pas depasser 500
Bq/l
pour l'
iode 131
. Dans certains
lander allemands
, les normes sont beaucoup plus severes (100
Bq/l
en
Sarre
, 20
Bq/l
en
Hesse
et
Hambourg
).
En zone contaminee par des poussieres radioactives, on se protege par une hygiene tres stricte : confinements ; tenue etanche ventilee (TEV), heaume ventile avec surtenue, et/ou autres protections ; nettoyage des surfaces de travail ; precautions pour eviter de soulever la poussiere.
Les mesures sont realisees au moyen de contaminametres equipes de sonde α ou β [unites de mesure : Bq/m
3
(pour la contamination volumique) ou Bq/cm
2
(pour la contamination surfacique).
- ↑
Le premier scientifique connu a avoir observe le phenomene de radioactivite est
Abel Niepce de Saint-Victor
vers 1858, pres de 40 ans avant
Henri Becquerel
, mais il n'a pas mesure la portee de sa decouverte, vite tombee dans l'oubli
[
2
]
.
- ↑
≪
Marie Curie par elle-meme
≫
- ↑
Bernard Fernandez,
chap.
1
≪ Les rayons de Becquerel ≫
, dans
De l'atome au noyau : Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucleaire
,
Ellipses
,
, 597
p.
(
ISBN
978-2729827847
)
, partie I,
p.
9
.
- ↑
Bernard Fernandez,
De l'atome au noyau : Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucleaire
,
Ellipses
,
, 597
p.
(
ISBN
978-2729827847
)
, partie I,
chap.
4 (≪ L'emanation du thorium ≫)
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