Notions de base de radioactivité

Notions de base de radioactivité (extrait de l’ACROnique du nucléaire n°37, juin 1997)

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.

noyau

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 complexes. 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 l’uranium, 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 nucléons, 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 ont 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 :

alphaC’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 (α) ne concerne que les noyaux lourds présentant 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.

betaRayonnement bêta :

C’est une particule, électron (β-) ou positron (β+), animée d’une grande vitesse. Il 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 quelques cm d’épaisseur pour arrêter ce rayonnement.

Rayonnement gammA :

C’est un rayonnement électromagnétique analogue à celui de la lumière mais beaucoup plus énergétique. On parle de photons gamma (γ). 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 une épaisseur de béton de plusieurs dizaines 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 (T1/2), 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.

periode

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 et sur l’Homme

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 WR qui dépend de la nature du rayonnement et qui tient compte de la différence irradiation/contamination. Par exemple, dans le cas d’une contamination, WR est choisi égal à 1 pour les rayonnements gamma et à 10 pour les rayonnements alpha. On parle alors d’équivalent de dose absorbée et l’unité est le sievert (Sv) : 1Sv = 1Gy*k. L’ancienne unité était le rem : 1Sv = 100rem.

Ensuite, pour considérer le détriment global des rayonnements sur le corps entier, on pondère à nouveau par un second facteur (WT) prenant en compte la sensibilité du ou des tissu(s) ou organe(s) touché(s). On parle alors de dose efficace ; son unité de mesure est également le sievert (Sv).

Pour en savoir plus sur le sujet, nous vous renvoyons au dossier que nous avons déjà consacré aux rayonnements et la santé (numéros de l’ACROnique du nucléaire).

Il est clair que la mesure directe de la dose ou de l’équivalent de dose est très difficile. On a donc recours à des approximations.

Récapitulatif des grandeurs et unités

GRANDEURS UNITES EQUIVALENCES DEFINITIONS
L’ACTIVITE
Becquerel
(Bq) 


Curie

(Ci)

1 Bq = 27.10-12 Ci  =  27 pCi
1 Ci = 37 109 Bq
Connaître l’activité d’une matière
radioactive revient à déterminer le nombre de radionucléides
de la dite substance qui ce désintègre par unité de
temps. 


L’ancienne unité était le Curie (symbole
Ci) c’est à dire le nombre de désintégration par seconde
dans un gramme de radium 226, soit 37 milliards.

DOSE ABSORBE
Gray
(Gy)


Rad

(rad)

Gy = 1 joule / kg
= 100 rad


1 rad = 0,01 Gy

 

 

Quantité d’énergie absorbée par
la matière vivante ou inerte et par unité de masse. La conversion
du Bq au Gy n’est pas directe car la désintégration d’un
atome de césium ou d’iode ne libère pas la même énergie
et tous les rayonnements ne sont pas forcément absorbés.


L’ancienne unité était le Rad

 DOSE EQUIVALENTEDOSE EFFICACE
Sievert
(Sv)


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rem

(rem)

1 Sv = Gray * k
= 100 rems


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 rem = 0,01 Sv

 

 

La dose équivalente essaye de tenir compte chez
l’homme des dommages radiologiques occasionnés. Une même dose
de rayonnement ne provoque pas les mêmes dommages, suivant qu’il
s’agit d’irradiation ou de contamination, de rayonnement alpha, bêta ou gamma et suivant la nature des tissus touchés. Pour exprimer ces différences d’effets biologiques, des coefficients sont
affectés par le législateur aux rayonnements puis en fonction des tissus touchés (dose efficace). Par exemple,
en contamination, la dose en gray est multipliée par 1 s’il s’agit
de rayons gamma.


L’ancienne unité était le Rem


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Tables et caractéristiques des éléments

Ancien lien

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