• La radioactivité

    La radioactivité

    Introduction

     

    I - Définition de la radioactivité

                   1 - La radioactivité, propriété naturelle de certains atomes.

                   2 - Les mesures de la radioactivité

                   3 - La décroissance radioactive

                   4 - Les différents types de désintégrations

     

    II - Les origines des radioéléments

                   1 - Les radio-isotopes naturels

                   2 - Les radio-isotopes artificiels

     

    III - Les applications de la radioactivité

                   1 - Les traceurs radioactifs

                   2 - La datation

     

     

    La radioactivité n’a pas été inventée par l’homme. Elle a été découverte il y plus d’un siècle, en 1896, par le physicien français Henri Becquerel. Ce dernier cherchait à savoir si les rayons qu’émettaient les sels fluorescents d’uranium étaient les mêmes que les rayons X découverts en 1895 par Wilhelm Roentgen, physicien allemand. Il pensait que les sels d’uranium, après avoir été excités par la lumière, émettaient des rayons X. Quelle ne fut pas sa surprise lorsqu’à Paris, en mars 1896, il découvrit que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière du soleil ! Il en conclut que l’uranium émettait spontanément et sans s’épuiser des rayonnements invisibles, différents des rayons X. Le phénomène découvert est appelé radioactivité (du latin radius : rayon). A la suite des travaux d’Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie isolèrent en 1898 le polonium et le radium, des éléments radioactifs inconnus présents dans le minerai d’uranium.

     

    I – Définition de la radioactivité

     

                   1 - La radioactivité, propriétés naturelles de certains atomes

    Dans la nature, la plupart des noyaux d’atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû à un excès soit de protons, soit de neutrons, ou encore à un excès des deux. Ils sont dits radioactifs et sont appelés radio-isotopes ou radionucléides.

    Les noyaux d’atomes radioactifs se transforment spontanément en d’autres noyaux d’atomes, radioactifs ou non. Ainsi, de noyau radioactif en noyau radioactif, l’uranium 238 tend à se transformer en une forme stable, le plomb 206. Cette transformation irréversible d’un atome radioactif en un autre atome est appelée désintégration. Elle s’accompagne d’une émission de différents types de rayonnements.

    Un élément chimique peut donc avoir à la fois des isotopes radioactifs et des isotopes non radioactifs. Par exemple, le carbone 12 n’est pas radioactif, alors que le carbone 14 l’est. La radioactivité ne concernant que le noyau et non les électrons, les propriétés chimiques des isotopes radioactifs sont les mêmes que celles des isotopes stables.

     

                   2 – Les mesures de la radioactivité

    Le becquerel : un échantillon radioactif se caractérise par son activité qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs par seconde qui se produisent en son sein. L’unité d’activité est le becquerel, de symbole Bq. 1 Bq = 1 désintégration par seconde. Cette unité est très petite. L’activité de sources radioactives s’exprimera donc le plus souvent en multiples du becquerel.

    Le gray (Gy) : cette unité permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés – ou dose absorbée – par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements. Le gray a remplacé le rad en 1986. 1 gray = 100 rads = 1 joule/kg de matière irradiée.

    Le sievert (Sv) : les effets biologiques des rayonnements sur un organisme exposé (selon sa nature et les organes exposés) se mesurent en sievert et s’expriment également en « équivalent de dose ». L’unité la plus courante est le millisievert, ou millième de sievert.

    Le curie (Ci) : l’ancienne unité de mesure de la radioactivité est le curie. Le curie avait été défini comme l’activité de 1 g de radium, élément naturel que l’on trouve dans les sols avec l’uranium. Cette unité est beaucoup plus grande que le becquerel car, dans 1 g de radium, il se produit 37 millions de désintégrations par seconde. Donc 1 Ci = 37 milliards de Bq.

    Pour détecter et mesurer les rayonnements émis par les isotopes radioactifs, on dispose de différents types de détecteurs parmi lesquels les tubes compteurs à gaz (compteur proportionnel, Geiger-Müller, chambre d’ionisation), les scintillateurs couplés à des photomultiplicateurs, les semi-conducteurs (silicium, germanium…).

    Ces détecteurs sont extrêmement sensibles et mesurent couramment des activités un million de fois inférieures aux niveaux qui pourraient avoir des effets sur notre santé.

     

                   3 – La décroissance radioactive

    L’activité d’un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu’il contient. La désintégration radioactive d’un noyau donné est un phénomène aléatoire.

    On peut cependant donner pour chaque isotope radioactif une période radioactive ou demi-vie qui est le temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs initialement présents a disparu par transformation spontanée.

    Selon les noyaux radioactifs concernés, cette période est très variable : quelques secondes, heures… plusieurs jours… centaines d’années… ou milliards d’années.

     

                    4 – Les différents types de désintégrations

    Le rayonnement alpha est constitué d’un noyau d’hélium comprenant 2 protons et 2 neutrons. Il porte 2 charges positives.

    Des atomes dont les noyaux radioactifs sont trop chargés en protons et en neutrons émettent souvent un rayonnement alpha. Ils se transforment en un autre élément chimique dont le noyau est plus léger. Par exemple, l’uranium 238 est radioactif alpha et se transforme en thorium 234.

    Le rayonnement bêta moins est constitué d’un électron chargé négativement.

    Certains atomes dont les noyaux sont trop chargés en neutrons émettent un rayonnement bêta moins. Un des neutrons au sein du noyau se désintègre en un proton plus un électron, ce dernier étant éjecté. Ainsi l’atome s’est transformé en un autre élément chimique. Par exemple le thorium 234 est radioactif bêta moins et se transforme en protactinium 234.

    Le rayonnement bêta plus est constitué d’un positon (particule de même masse que l’électron mais chargé positivement).

    Certains atomes dont les noyaux sont trop chargés en protons émettent un rayonnement bêta plus. Un des protons au sein du noyau se désintègre en un neutron plus un positon, ce dernier étant éjecté. Ainsi l’atome s’est transformé en un autre élément chimique. Par exemple, l’iode 122 est un radioactif bêta plus et se transforme en tellure 122. Notons que pour les 2 types de désintégration bêta, le noyau garde le même nombre de nucléons (donc la même masse atomique).

    Le rayonnement gamma est une onde électromagnétique comme la lumière visible ou les rayons X mais plus énergétique.

    Ce rayonnement suit souvent une désintégration alpha ou bêta. Après émission de la particule alpha ou bêta, le noyau est encore excité car ses protons et ses neutrons n’ont pas trouvé leur équilibre. Il se libère alors rapidement d’un trop-plein d’énergie par émission d’un rayonnement gamma. C’est la radioactivité gamma. Par exemple, le cobalt 60 se transforme par désintégration bêta en nickel 60 qui atteint un état stable en émettant un rayonnement gamma.

     

    II – Les origines des radioéléments

     

                    1 – Les radio-isotopes naturels

    Lors de la formation de la Terre, il y a environ 5 milliards d’années, la matière comprenait des atomes stables et instables. Mais depuis, la majorité des atomes instables se sont désintégrés par radioactivité et la plupart d’entre eux ont fini par atteindre la stabilité. Cependant, il existe toujours quelques atomes radioactifs naturels :

    • Les radio-isotopes caractérisés par une très longue demi-vie comme l’uranium 238 (4,5 milliards d’années) et le potassium 40 (1,3 milliard d’années). Ils n’ont pas encore eu le temps de tous se désintégrer depuis qu’ils ont été créés ;
    • Les descendants radioactifs des précédents comme le radium 226 qui est en permanence régénéré après désintégration de l’uranium 238. Le radium 226 se transforme lentement en un gaz lui-même radioactif, le radon 222 ;
    • Les radio-isotopes créés par l’action des rayonnements cosmiques sur certains noyaux d’atomes. C’est le cas, par exemple, du carbone 14 qui se forme en permanence dans l’atmosphère.

    Quelques exemples d’activité d’échantillons radioactifs de notre environnement :

    • Le granite : 1000 Bq/kg
    • Le corps humain : un individu de 70 kg a une activité de l’ordre de 8000 Bq dont environ 5000 Bq dus au potassium (dans les os).
    • Le lait : 80 Bq/L
    • L’eau de mer : 10 Bq/L

    Ces radio-isotopes sont présents sur toute la planète, dans l’atmosphère (carbone 14, radon 222), dans la croûte terrestre (uranium 238 et uranium 235, radium 226…) et dans notre alimentation (potassium 40). Voilà pourquoi tout ce qui nous entoure est radioactif. Depuis l’aube des temps, la Terre et les êtres vivants sont donc plongés dans un véritable bain de radioactivité. Ce n’est que récemment (à peine plus de 100 ans) que l’homme a découvert avec les travaux d’Henri Becquerel qu’il avait toujours vécu dans cette ambiance.

     

                    2 – Les radio-isotopes artificiels

    La production de radio-isotopes artificiels se fait au moyen d’un cyclotron ou d’un réacteur nucléaire et permet de nombreuses applications. Certains radio-isotopes (cobalt 60, iridium 192…) peuvent être utilisés comme source de rayonnements pour des radiographies gamma (ou gammagraphies) ou comme source d’irradiation pour la radiothérapie ou pour des applications industrielles. De telles sources sont couramment utilisées en médecine et dans l’industrie. D’autres radio-isotopes artificiels sont créés dans les réacteurs nucléaires (strontium 90, césium 137…). Certains ne sont pas utilisés par l’homme. Ils constituent ce que l’on appelle les déchets nucléaires. Fortement radioactifs, ils doivent être stockés sous haute surveillance et isolés de l’homme.

     

    III – Les applications de la radioactivité

     

                    1 – Les traceurs radioactifs

    Les propriétés chimiques d’un isotope radioactif sont identiques à celles d’un isotope stable, à la seule différence que le radio-isotope est instable. Cette instabilité provoque la désintégration qui se traduit par l’émission de rayonnements. Il suffit alors de disposer d’outils de détection appropriés pour suivre à la trace des radio-isotopes. Par exemple, le potassium 40 qui est mélangé au potassium stable dans notre alimentation va suivre exactement le même trajet dans notre corps que ses isotopes stables. La détection des rayonnements émis par le potassium 40 permet alors de suivre à la trace le déplacement de l’ensemble du potassium. Un radio-isotope peut donc servir de traceur à l’aide d’outils de détection appropriés.

    Il est aussi possible de connaître la localisation d’une molécule par le même principe. Cette dernière est marquée par un radio-isotope qui lui sert d’étiquette. Le marquage peut être effectué de deux manières : remplacement d’un atome de la molécule par un de ses isotopes radioactifs ou accrochage à la molécule d’un atome radioactif. La molécule marquée est alors un traceur.

    On utilise cette méthode en médecine pour suivre l’action d’un médicament, par exemple, ou bien dans l’étude du déplacement de produits dans l’environnement… Il faut bien noter que dans ces cas précis, le traceur est utilisé en très petites quantités qui sont bien suffisantes car les appareils de détection des rayonnements sont très sensibles. Les effets de rayonnements radioactifs ne sont ainsi pas dangereux à ces très faibles doses. De plus, la période de ces isotopes est courte (de quelques minutes à quelques jours) et ils disparaissent très rapidement de notre corps ou de notre environnement.

     

    Applications des traceurs en médecine : les possibilités offertes par les applications des traceurs et de la radioactivité en recherche biologique et en médecine ont été l’un des facteurs essentiels du progrès médical au cours du XXe siècle.

    Ainsi, par exemple, des isotopes ont permis à Avery en 1943 de montrer que l’ADN était le support de l’hérédité. Dans les années qui ont suivi, ils ont conduit à l’avènement  de la biologie moléculaire avec la détermination du code génétique, la caractérisation des réactions chimiques assurant le fonctionnement cellulaire ou encore la compréhension des mécanismes énergétiques. Par ailleurs, des techniques utilisant la radioactivité élargissent les possibilités de diagnostic pour détecter et mieux guérir les maladies : c’est la médecine nucléaire. Au lieu de faire passer les rayonnements à travers l’ensemble du corps comme dans la radiographie, on introduit dans l’organisme une petite quantité de produit marqué par un radio-isotope émetteur de rayonnements gamma ou de rayonnements bêta plus donnant ensuite des rayonnements gamma. Ce produit reconnaîtra certaines cellules de l’organisme et indiquera si elles fonctionnent correctement. Par exemple, le thallium 201 permet d’observer directement le fonctionnement du cœur et de voir s’il présente des signes de faiblesse. D’autres types d’examens détecteront la présence de tumeurs dans les os.

    Les chercheurs utilisent aussi la médecine nucléaire pour comprendre le fonctionnement des organes. Par exemple, pour le cerveau, les techniques mises en œuvre permettent d’observer directement les parties de celui-ci impliquées dans la vision, la mémorisation, l’apprentissage des langues ou le calcul mental. En recherche, le marquage d’une molécule (médicaments, produits énergétiques…) permet de suivre son devenir dans la cellule ou dans l’organisme. Cela permet de concevoir des médicaments.

     

    Applications des traceurs pour l’étude de l’environnement : la mesure de l’absorption du rayonnement émis par une très petite source permet de mesurer la densité du milieu traversé. On peut ainsi suivre en continu la teneur de matières en suspension dans l’eau d’un fleuve comme le Rhône et réguler la purge de son barrage, de façon à ne pas dépasser le niveau qui mettrait en péril la faune et la flore du fleuve.

    Mais on peut également, en marquant un sédiment ou un polluant avec un radio-isotope, le suivre à la trace. Cela permet d’optimiser des tracés de routes ou d’autoroutes pour minimiser les risques de pollution, ou de contrôler si les sites de stockage des déchets n’ont pas d’infiltration dans le sol.

    Les chercheurs utilisent aussi le déplacement des radio-isotopes naturels ou artificiels pour suivre, par exemple, le déplacement de masses d’air, de masses d’eau…

     

    Applications des traceurs dans l’industrie : l’industrie utilise de nombreux réacteurs complexes et aux parois opaques. Les traceurs radioactifs peuvent être détectés à travers ces parois. Ils permettent d’étudier le comportement de fluides à l’intérieur de ces réacteurs. Les industries concernées sont multiples : la chimie, le pétrole et la pétrochimie, la fabrication de ciments, d’engrais, de pâte à papier, de chlore, de soude, d’explosifs, la métallurgie, l’énergie… L’opération consiste à marquer une fine tranche de matière à l’entrée de l’appareil à étudier et à observer en différents endroits la courbe de restitution de la concentration du traceur en fonction du temps.

    L’injection de traceurs dans un réacteur industriel doit être aussi brève que possible pour que la fonction enregistrée aux points de mesure choisis puisse être considérée comme une Distribution des Temps de Séjour (DTS) de la phase marquée. De cette DTS, on peut en déduire les paramètres de transfert de la phase marquée dans le système tels que vitesse d’écoulement, débit, volume mort, courts-circuits… Ces mesures permettent d’optimiser la production en économisant de la matière première et en diminuant les rejets dans l’environnement.

     

                   2 – La datation

    Certains éléments radioactifs naturels constituent de véritables chronomètres pour remonter dans le temps. Des méthodes de datation ont été mises au point, fondées sur la décroissance de la radioactivité contenue dans les objets ou vestiges étudiés.

    On peut ainsi remonter jusqu’à des dizaines de milliers d’années dans le passé avec le carbone 14, voire bien davantage avec d’autres méthodes telles que la thermoluminescence ou la méthode uranium-thorium.

    La datation au carbone 14 permet d’aborder l’étude de l’histoire de l’Homme et de son environnement pendant la période de 5000 à 50 000 ans avant le temps présent. Le carbone est très répandu dans notre environnement et, en particulier, il entre dans la constitution de la molécule de gaz carbonique présente dans l’atmosphère. Ce carbone est constitué principalement de carbone12. Cependant, une petite proportion de carbone 14 radioactif se trouve à l’état naturel. Le rapport carbone 14/carbone 12 est équilibré entre l’atmosphère et le monde du vivant (animal, végétal…) durant toute la vie de chaque individu grâce aux échanges nécessaires à celle-ci (respiration, photosynthèse et alimentation).

    Après la mort d’un organisme, le carbone 14 n’est plus renouvelé par un échange avec le monde extérieur. Sa proportion diminue dans les organismes car il se désintègre petit à petit. La mesure du rapport carbone 14/carbone 12 permet donc de dater la mort. Moins il reste de carbone 14 dans le fossile à dater, plus la mort est ancienne.


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