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Radioactivite

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Pictogramme signalant la presence de matiere radioactive. ( ? )
La maison de Georges Cuvier , au Jardin des plantes de Paris , ou Henri Becquerel decouvrit la radioactivite en 1896 .

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.

Histoire [ modifier | modifier le code ]

Mise en evidence et explication de la radioactivite [ modifier | modifier le code ]

Henri Becquerel ( 1852 ? 1908 ), decouvreur de la radioactivite en 1896
Marie Curie ( 1867 ? 1934 ) en 1903 , au moment de recevoir le Prix Nobel de physique

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 [ modifier | modifier le code ]

≪ Poudre Tho-Radia, a base de radium et thorium, selon la formule du D r Alfred Curie […] ≫.

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.

Desintegration nucleaire [ modifier | modifier le code ]

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 .

Differents modes de desintegration radioactive, representes dans le tableau N - Z ( N = nombre de neutrons , Z = nombre de protons ) : radioactivites α , β ? et β + , capture electronique ε, emission de neutron n et emission de proton p.

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
).
Table des isotopes par processus majoritaire de desintegration radioactive.

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 .

Radioelements [ modifier | modifier le code ]

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.

Loi de desintegration radioactive [ modifier | modifier le code ]

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 :

.

Interaction entre les rayonnements et la matiere [ modifier | modifier le code ]

Pouvoir de penetration (exposition externe).
Les particules α sont arretees par une feuille de papier.
Les particules β sont arretees par une feuille d' aluminium .
Le rayonnement γ est attenue (mais jamais arrete) par de grandes epaisseurs de materiaux denses (ecran en plomb , par exemple).

Action locale des rayonnements [ modifier | modifier le code ]

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 .

Action globale [ modifier | modifier le code ]

Mesure de la radioactivite (grandeurs et unites) [ modifier | modifier le code ]

Grandeurs objectives [ modifier | modifier le code ]

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 :

Ci ? 37 ×?10 9   Bq = 37  G Bq = 3,7 ×?10 10   Bq
Bq = 27 ×?10 ?12   Ci = 27  p Ci = 2,7 ×?10 ?11   Ci

Grandeurs subjectives [ modifier | modifier le code ]

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
Gy = 100   rad
1  rem = 0,01  Sv = 10  mSv
Sv = 100  rem

Radioactivite dans l'environnement [ modifier | modifier le code ]

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.

Radioactivite naturelle [ modifier | modifier le code ]

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.

Radioactivite artificielle [ modifier | modifier le code ]

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 .

Les reseaux de mesures [ modifier | modifier le code ]

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 ] .

Radioecologie [ modifier | modifier le code ]

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 :

  1. ≪ l’integration des methodes d’evaluation du risque radiologique pour l’homme et les ecosystemes ≫  ;
  2. ≪ la recherche sur l’effet des faibles doses sur les ecosystemes ≫  ;
  3. ≪ l’etude des consequences des pollutions mixtes, qui associent les substances radioactives et chimiques ≫ .

Radioprotection [ modifier | modifier le code ]

Substance radioactive [ modifier | modifier le code ]

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.

Gestion des risques sanitaires [ modifier | modifier le code ]

Nouveau pictogramme lance par l'AIEA, representant un risque de danger de mort ou de dommages serieux.

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 :

  1. 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 ;
  2. optimisation  : l'irradiation doit etre au niveau le plus bas que l'on peut raisonnablement atteindre ;
  3. limitation de la dose et du risque individuels  : aucun individu ne doit recevoir des doses d'irradiation 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 ] .

Dose radiative [ modifier | modifier le code ]

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 ≫.

Dose equivalente [ modifier | modifier le code ]

Relation entre dose absorbee, dose equivalente et dose efficace ( CIPR ).

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.

Irradiation [ modifier | modifier le code ]

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.

Alimentation [ modifier | modifier le code ]

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 ).

Contamination radioactive [ modifier | modifier le code ]

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).

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

  1. 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 ] .

References [ modifier | modifier le code ]

  1. ≪  Marie Curie par elle-meme  ≫
  2. 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 .
  3. 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 ≫) .
  4. (en) Andrew Grant, ≪  Levitating beads reveal radioactivity  ≫, Physics Today ,‎ ( DOI   10.1063/pt.uehq.hnej Accès libre, lire en ligne , consulte le ) .
  5. (en) Jiaxiang Wang, T. W. Penny, Juan Recoaro, Benjamin Siegel, Yu-Han Tseng et David C. Moore, ≪  Mechanical detection of nuclear decays  ≫, Physical Review Letters ,‎ ( arXiv   2402.13257v1 , presentation en ligne ) .
  6. Cette terminologie est indiquee par exemple dans l'ouvrage de J.P. Sarmant (1988) : Dictionnaire Hachette de Physique , Hachette, Paris. ( ISBN   2-01-007597-8 ) .
  7. http://www.curie.fr/fondation/musee/irene-frederic-joliot-curie.cfm/lang/_fr.htm .
  8. Eugene Hecht, Physique , De Boeck, 1999, p.  1 099.
  9. (en) Thomas Ruedas, ≪  Radioactive heat production of six geologically important nuclides  ≫, G 3 ,‎ ( DOI   10.1002/2017GC006997 ) .
  10. Jean-Marc Jancovici : a propos de quelques objections frequentes sur le nucleaire civil .
  11. a et b (en) Solenne Billon et al. , ≪  French population exposure to radon, terrestrial gamma and cosmics ray  ≫, Radiation Protection Dosimetry , vol.  113, n o  3,‎ , p.  314-320 ( DOI   10.1093/rpd/nch463 )
  12. (en) [PDF] UNSCEAR 2000 .
  13. U. Fielitz, Radioaktivitat in Wildtieren, Abshlussbericht zum Forschungsvorhaben 4017 des BMU , Universitat Goettingen. Goettingen : Goettingen University, 1994, 120 p.
  14. Reseau national de mesures de la radioactivite de l'environnement .
  15. Site Internet du Reseau national de mesure de la radioactivite dans l’environnement (RNM).
  16. Bilan IRSN 2009 de la surveillance radiologique de l’environnement en France : vers une evolution de la strategie de surveillance , 2011/02/03.
  17. Site internet de la Conference internationale de radioecologie et de radioactivite .
  18. a et b Conference internationale de radioecologie et de radioactivite environnementale le 20 juin 2011 a Hamilton (Canada).
  19. Site internet de l'Alliance europeenne en radioecologie .
  20. IRSN, L’Alliance europeenne en radioecologie : une initiative pour une meilleure integration des recherches menees en radioecologie en Europe , 2011/06/20.
  21. Code de l'environnement , Article L542-1-1.
  22. Arrete du 15 mai 2006 relatif aux conditions de delimitation et de signalisation des zones surveillees et controlees et des zones specialement reglementees ou interdites compte tenu de l'exposition aux rayonnements ionisants, ainsi qu'aux regles d'hygiene, de securite et d'entretien qui y sont imposees [1] .
  23. Lefigaro.fr .
  24. Faibles doses de radioactivite : une revolution dans la radioprotection par Emmanuel Grenier (Source : Fusion n o  77, 1999).
  25. Circulaire DGT/ASN n o  01 du 18 janvier 2008 .
  26. Eaux minerales et autres produits vendus comme radioactifs .

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

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Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

Principaux isotopes radioactifs [ modifier | modifier le code ]

  1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H     He
2 Li Be   B C N O F Ne
3 Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba
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Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra
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Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
     
 
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La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
 
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Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No  
       
  Pb   Un isotope au moins de cet element est stable
  Cm   Un isotope a une periode d'au moins 4 millions d'annees
  Cf   Un isotope a une periode d'au moins 800 ans
  Md   Un isotope a une periode d'au moins 1 journee
  Bh   Un isotope a une periode d'au moins 1 minute
  Og   Tous les isotopes connus ont une periode inferieure a 1 minute

Organisations [ modifier | modifier le code ]

Liens externes [ modifier | modifier le code ]