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La radioactivité est la propriété d'un noyau atomique de se transformer spontanément en noyau d'un autre élément en émettant lors de cette transformation un rayonnement (rayon X ou gamma) ou une particule (alpha ou bêta). Il se peut qu'il faille plusieurs transformations avant d'arriver à un noyau stable, on parle alors de chaîne de désintégration.
 Cet article de science fait partie de la série physique |
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La matière est faite d'atomes, la plupart du temps assemblés en molécules. Au cœur de ces atomes, se trouve un noyau, 10 000 à 100 000 fois plus petit. Le noyau est lui-même composé de particules, des nucléons, qui se répartissent en deux espèces : les protons et les neutrons. Les nucléons sont deux mille fois plus lourds que l'électron. Tous les noyaux ne sont pas stables. C'est au sein de ceux qui sont instables que se produit la radioactivité. Le phénomène est difficile à observer : il a fallu attendre 1896 pour que soient décelés des rayonnements d'origine inconnue, émis par des sels d'uranium.
Certains noyaux atomiques instables sont la source de rayonnements, désignés par les trois premières lettres de l'alphabet grec : rayons alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). Ces rayonnements sont des particules émises par des noyaux avec une grande énergie. Elles ont été identifiées respectivement à des noyaux d'hélium (rayons α), à des électrons ou positons (rayons β) et à des photons de grande énergie (rayons γ). Les rayonnements α et β sont déviés par des champs électriques et magnétiques, contrairement aux rayonnements γ.
Ces rayonnements sont dits ionisants car ils interragissent avec la matière en provoquant au sein de celle-ci des ionisations. Ce sont ces ionisations qui sont à l'origine des conséquences dommageables pour la santé de l'exposition à ces rayonnements. Les rayonnements ionisants peuvent avoir une origine strictement artificielle. Tel est le cas pour les rayons X utilisés en imagerie médicale.
Les êtres vivants sont exposés à la radioactivité naturelle depuis l'apparition de la vie. Sur une planète comme la Terre, cela leur a même permis de se développer. En effet, en l'absence de cette radioactivité naturelle, la température à la surface du globe serait de plusieurs degrés inférieure, limitant ainsi l'évolution des espèces. Les hommes ne s'en doutaient d'ailleurs pas, jusqu'au XXe siècle.
Ce n'est qu'à partir de 1896, avec la découverte d'Henri Becquerel, que l'humanité a pris conscience de l'existence de rayonnements et a commencé à en comprendre les multiples origines.
La radioactivité naturelle a principalement pour origine les radioéléments produits lors des explosions des supernovae. En fin de vie, une étoile ne peut produire des noyaux d'atomes plus lourds que le fer pour des raisons de stabilité énergétique. Les atomes plus lourds se forment lorsqu'à l'explosion (implosion) le flux de nucléons permet la mutation des noyaux présents dans les couches supérieures des étoiles super-géantes en noyaux plus lourds (or, uranium, etc.). On trouve des traces de ces éléments radioactifs et de leurs descendants dans notre environnement.
La radioactivité résulte également du bombardement du globe terrestre par des particules de haute énergie en provenance de l'espace : les rayons cosmiques. L'atmosphère et le champ magnétique terrestre servent de bouclier et en réduisent l'importance.
Au final, les effets de l'exposition à la radioactivité naturelle sont bénéfiques, comme en témoigne la diversité des espèces vivantes.
Comme souvent en physique, il existe un grand nombre d'unités de mesures de la radioactivité ou de son incidence sur notre santé.
L'émission de la radioactivité se mesure en Becquerel (Bq) et détermine le nombre de désintégration par seconde d'une source radioactive. On l'exprime parfois en minute (dpm).
Le Curie (Ci) était utilisé auparavant et correspond à environ 37.109 Bq ou 37 Bq = 1 nCi.
On peut également utiliser le Coulomb par kilogramme (C/kg) qui mesure l'exposition aux rayonnements X et gamma (la charge d'ions libérée dans la masse d'air).
On trouve également dans la littérature l'unité de dose absorbée ou gray (Gy). C'est une unité d'énergie (joule) par kilogramme de matière : 1 Gy = 1 J/kg. L'ancienne unité était le rad. 1 Gy = 100 rad. On définit également le gray par seconde correspondant au débit de dose absorbée.
Ces quatre unités mesurent le rayonnement radioactif, l'irradiation.
Pour mesurer le risque pour la santé (la contamination) ici aussi il existe plusieurs unités de mesures. Les chercheurs américains par exemple utilisent le rem ou le milli-rem (mrem), l'acronyme de « roentgen equivalent man ».
En Europe les chercheurs préfèrent utiliser le Sievert (Sv) ou les milli-Sieverts (mSv). Le Sievert est en fait équivalent à la dose absorbée, la seule différence notable étant que le Sievert prend en compte l'incidence sur la santé. On l'appelle couramment la dose équivalente.
La dose accumulée par l'organisme durant un certain temps s'appelle le débit de dose (ddd) ou la dose en abrégé. Elle s'exprime en mSv/h.
Conversion des rem en Sievert et vice versa:
1 rem = 0.01 Sv = 10 mSv, 1 mrem = 0.01 mSv, 100 mrem = 1 mSv, 1 Sv = 100 rem, 1 mSv = 0.1 rem, 1 mSv = 100 mrem,
Lors d'une promenade au bord de la mer, nous nous asseyons sur un roc de granite : celui-ci contient des traces d'uranium qui en se désintégrant émet un gaz radioactif, le radon, que nous respirons. Dans notre alimentation, nous assimilons du potassium-40, du carbone 14 et du tritium. Nous sommes contraints de nous exposer aux particules du rayonnement cosmique dont des centaines nous traversent à chaque seconde. Des milliards de neutrinos nous traversent aussi à chaque instant. Si les neutrinos sont fantomatiques car ils sont sans charge électrique et sans ou quasiment sans masse, les particules du rayonnement cosmique sont massives et ont une charge électrique, mais leur effet reste anodin. Nous n'empêchons pas la désintégration de 8000 atomes dans notre corps à chaque seconde. Il faut toutefois remettre ce chiffre en perspective. 8000 atomes altérés par seconde, cela fait 252 milliards par an, soit 0,25 × 1010 sur les quelque 1027 atomes de notre corps. Le risque d'altération d'un atome donné est donc de 0,25 × 10-17.
La taille du génome est de 3,2 × 109 paires de bases, une base possédant une vingtaine d'atomes, soit 0,64 × 1010 atomes par brin d'ADN (il y a 2 brins, comptons donc pour simplifier 1010. Sur un ordre de grandeur de 1013 cellules dans le corps, on arrive à 1023, ce qui correspond donc à 250 000 brins de code génétique altérés par an.
Les défenses de l'organisme permettent en principe d'éliminer les cellules cancéreuses, mais ne fonctionnent pas toujours (c'est d'ailleurs pour cela qu'il y a des cancers). On considère toutefois qu'il faut non pas une, mais plusieurs mutations dans le même brin pour transformer une cellule saine en cellule cancéreuse.
On peut pour se rassurer désigner ces 8000 becquerels comme nous exposant à 0,2 millisievert (mSv) par an, sans bien entendu que ce changement d'unité modifie en quoi que ce soit le taux de mutation des cellules.
Nous ne pouvons pas échapper très facilement à l'exposition à la radioactivité (par exemple notre corps contient naturellement du carbone 14), mais nous vivons avec ce risque depuis la nuit des temps : L'exposition naturelle à la radioactivité représente 2,5 mSv sur le total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv, selon l'environnement géologique et les matériaux d'habitation.
Le rayonnement tectonique dû aux roches (uranium, thorium et descendants) est de 0,40 mSv, mais il peut être dix fois plus important dans des régions granitiques comme la Forêt-Noire en Allemagne ou la Bretagne et le Massif Central en France, en particulier à cause d'un gaz radioactif, le radon. La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,40 mSv au niveau de la mer, mais double à 1500 m d'altitude.
Il nous est impossible d'échapper à la radioactivité en respirant, en nous déplaçant, mais aussi en mangeant. Tous nos aliments sont un peu radioactifs, car ils contiennent des éléments comme du carbone-14 et du potassium-40, des isotopes radioactifs inséparables du carbone et du potassium naturels. L'eau de source que nous buvons est aussi radioactive. Avant de jaillir du sol, elle a dissous des sels minéraux appartenant au roches rencontrées sur son chemin dont certaines contiennent des radioéléments. Les eaux les plus radioactives proviennent des régions granitiques ou volcaniques dont les roches renferment un peu d'uranium et de thorium accompagnés des éléments radioactifs de leur descendance. Cette radioactivité est très variable.
Ce phénomène de rayonnement peut prendre des formes très différentes.
Article détaillé : Désintégration alpha
Un noyau atomique peut être instable parce qu'il est trop lourd. Il se débarrasse de son excédent de poids en émettant une particule. Pour certains éléments comme le radium-226 ou l'uranium-238, cette particule est un noyau d'hélium, soit 2 protons et 2 neutrons. Elle est animée d'une grande vitesse. Les éléments de ce type sont appelés émetteurs alpha.
Le rayonnement alpha étant constitué d'une particule lourde, il est très peu pénétrant, une simple feuille de papier peut l'arrêter.
Exemple pour le radium 226 qui se transforme en radon 222: 226Ra → 222Rn + α.
Article détaillé : Désintégration bêta
D'autres, les émetteurs bêta, émettent des électrons, par exemple le thorium-234, ou des positrons (ou positons), qui ont la même masse que les électrons mais qui sont chargés positivement.
S'il y a émission d'un électron, on parlera de rayonnement β-, en fait un neutron du noyau se désintègre en proton, en électron et en anti-neutrino. S'il y a émission d'un positon, on parlera d'un rayonnement β+, un proton se désintégrant alors en neutron, en positron et en neutrino.
Exemple d'une réaction β- pour le tritium (1 proton / 2 neutrons) qui se transforme en hélium 3 (2 protons / 1 neutron) : 3H → 3He + e- + ῡ
Exemple d'une réaction β+ pour le fluor 18 qui se transforme en oxygène 18 : 18F → 18O + e+ + ν.
L'électron ou le positon sont des particules légères, le rayonnement bêta est donc beaucoup plus pénétrant. Les particules étant chargées, elles interagissent facilement avec la matière. Il faut une feuille d'aluminium de 6 mm d'épaisseur pour arrêter ce rayonnement.
Article détaillé : Rayon gamma
Enfin, une troisième catégorie est constituée de noyaux radioactifs qui ne souffrent pas d'un excès de masse, mais d'énergie, qu'ils évacuent sous forme d'un photon, comme la lumière mais en beaucoup plus énergétique. Ce sont les émetteurs gamma.
Leur émission suit généralement une désintégration alpha ou bêta et correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On va donc avoir fréquemment un noyau radioactif qui émette simultanément deux types de rayonnement : par exemple, le plutonium-239 est un émetteur alpha-gamma, le fer-59, un émetteur bêta-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 plusieurs centimètres de plomb pour l'arrêter.
On calcul la durée de vie d'un élément radioactif avec le système de la demi-vie ou période radioactive.
L'activité d'un corps radioactif à un instant donné est le nombre de désintégrations par seconde à cet instant, autrement dit l'intensité de sa radioactivité. L'activité est une propriété de la source émettant les rayonnements ionisants et ne rend donc pas compte des effets des rayonnements ionisants sur la matière exposée. Elle se mesurait auparavant en curies, unité qui correspond à 37 milliards de désintégrations par seconde, quel que soit le rayonnement émis. C'est par exemple l'activité de 1 gramme de radium-226, ou de 15 grammes de plutonium-239. Elle se mesure maintenant en becquerels, unité qui correspond au nombre de désintégrations en 1 seconde.
Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement considéré.
Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge ni masse. En traversant la matière il provoque trois type d'interactions : l'effet photo-électrique, la création de paires et l'effet Compton. Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé.Le rayonnement gamma a un fort pouvoir de pénétration dans la matière (plusieurs dizaines de mètres de béton).
Le rayonnement alpha est un faisceau de particules lourdes et chargées, généralement d'énergie élevée. En traversant la matière ce faisceau de particules percute les électrons de la périphérie des atomes du matériau traversé ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance: le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier les arrête totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations. Ces dernières seront donc nombreuses sur le court parcours de la particule.
Le rayonnement bêta, constitué d'électrons ou de positrons est un faisceau de particules légères et chargées. Il interragit avec la matière en provoquant, lui aussi, des excitations et des ionisations. Le parcours des électrons et des positrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement béta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur.
La nature des lois physiques permettant de calculer les parcours ou l'atténuation des rayonnements dans la matière diffèrent selon les rayonnements considérés. Les rayonnements gamma ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. Seule une proportion, éventuellement importante, du flux de photons incidents peut être arrêté dans un échantillon traversé. Dans ce cas le flux de photons émergeant sera faible, voire quasi indétectable, mais jamais nul. Les lois physiques qui traduisent le parcours des particules chargées (rayonnements alpha et béta) donnent, elles, une valeur finie et chiffrable du parcours maximum de ces particules dans la matière. Au-delà de la distance considérée il est impossible que des particules du rayonnement incident puissent être retrouvées. Le rayonnement incident est donc complétement bloqué par une épaisseur donnée d'un matériau donné. Celui-ci aura joué le rôle d'écran.
Les conséquences de la radioactivité sur la santé sont complexes. Elles dépendent de la dose absorbée par l'organisme. À ce moment là, on parle de gray. Tous les rayonnements n'ayant pas la même nocivité, on multiplie chaque rayonnement absorbé par un coefficient de pondération, pour tenir compte des différences. Cela s'appelle la dose équivalente, qui se mesure en sievert. En fait, le becquerel mesure mal la dangereusité d'un élément car il considère identiquement les trois types de rayonnements. Un rayonnement α ou β est relativement peu dangereux à l'extérieur du corps. En revanche, il est extrêmement dangereux lorsque ce type d'émetteur est inhalé. D'un autre côté, les émissions γ sont dangereuses un peu partout car elles sont difficilement arrêtables.
Le risque pour la santé dépend non seulement de l'intensité du rayonnement et la durée d'exposition mais également du type de tissu concerné et de sa plus ou moins grande faculté d'absorption, les organes reproducteurs par exemple étant 20 fois plus sensibles que la peau.
En général on considère que l'environnement naturel (hors source radioactive !) est inoffensif : il émet un rayonnement inférieur 0.00012 mSv/h ou 0.012 mrem/h.
S'il fallait mettre un seuil minimum d'inocuité, la dose devient « dangereuse » à court terme à partir de 0.002 mSv/h ou 0.2 mrem/h.
Mais ceci est la théorie. Comme dans le cas des radiographies, en fait tout dépend du temps pendant lequel la personne est exposée à ces rayonnements. Les mots d'ordre sont : « Temps, Ecran, Distance ». Vous pouvez rester sous un rayonnement avec un débit de dose de 50 mSv/h sans rien risquer si vous ne restez pas plus de 5 sec devant la source car la dose reçue est très faible.
Voici par exemple les doses actuellement tolérées dans les différents secteurs controlés d'une centrale nucléaire française : - zone bleue : de 0.0025 à 0.0075 mSv/h - zone verte : de 0.0075 à 0.02 mSv/h - zone jaune : de 0.02 à 2 mSv/h - zone orange : de 2 à 100 mSv/h - zone rouge : >100 mSv/h
Il s'agit d'une dose cumulée, d'une exposition continue aux radiations ionisantes durant une année qui tient compte de facteurs de pondération. Jusqu'en 1992 les valeurs variaient d'un facteur 4 entre l'Europe et les Etats-Unis. Aujourd'hui ces doses sont standardisées et sont périodiquement revues, à la baisse.
La dose cumulée d'une source radioactive artificielle devient dangereuse à partir de 500 mSv ou 50 rem où l'on constate les premiers symptômes d'altération sanguine. En 1992 la dose équivalente maximale (dem) pour une personne travaillant sous rayonnements ionisants était fixée à 15 mSv sur les 12 derniers mois en Europe (CERN et Angleterre) et à 50 mSv sur les 12 derniers mois aux Etats-Unis ! Depuis août 2003 la dem est passée à 20 mSv sur les 12 derniers mois.
Rappelons au passage que lors d'un scanner médical nous recevons environ 150 mSv en une demi-journée. Nous serions en zone rouge dans une centrale nucléaire ! Pour éviter tout symptôme d'altération sanguine, mieux vaut donc se limiter à un maximum de trois examens de ce type par an.
En France la réglementation fixe les limites annuelles de radiation à 50 mSv (5 rem) pour les travailleurs et à 5 mSv (0.5 rem) pour la population. La différence est déjà injustifiée mais plus grave, la réglementation française ne respecte pas les recommandations de la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR) !
Il n'existe en fait aucun standard entre les différentes populations concernées. Les seules choses communes entre les différents type d'activités (domaine médical, nucléaire, recherche, etc) sont les manières de s'en protéger.
Pour les radiations rappelez-vous l'acronyme DATE = Distance (éviter de mettre la tête sur la source), Activité (réduire au mieux le ddd), Temps (rester le moins longtemps près de la source), Ecran (plomber, immerger, bétonner, ... la source).
Pour la contamination c'est surtout une question d'hygiène : nettoyer les surfaces de travail, éviter de la mettre en suspension, porter des tenues adéquates (la fameuse tenue « Mururoa »), confiner et si possible fixer les particules, ...
Cela dit durant la vie d'un être humain, les tissus profonds supportent une exposition de 100 à 400 rem (1-4 Sv), les yeux de 400 rem et l'épiderme peut supporter jusqu'à 600 rem (6 Sv). Pour rappel 1 rem (0.01 Sv) ou 1 roentgen équivaut à quelque 50 radiographies aux rayons X. Pour les passagers et les pilotes des avions de ligne ainsi que pour les astronautes en orbite, une éruption solaire très intense (classe X) leur fait subir l'équivalent de quelques radiographies et le danger est nul. Mais étant donné qu'ils répètent ces voyages ou effectuent des missions de longues durées, une exposition prolongée accroît le risque d'irradiation.
Heureusement, à ce jour la plupart des pays européens n'ont pas connu d'accident nucléaire majeur. La gravité des accidents est classée dans l'Echelle INES (International Nuclear Event Scale) dont l'amplitude est identique à celle des échelles qui mesurent la gravité de certains phénomènes naturels (séismes, vents…). Elle est destinée à faciliter la perception de l'importance des incidents ou accidents survenant dans les installations nucléaires.
Seuls les événements ayant un impact, même potentiel, sur la sûreté nucléaire des installations sont pris en considération.
Les événements nucléaires sont classés dans 7 catégories suivant leur importance, allant de l'anomalie (1) à l'accident majeur (7).
Toutes les centrales nucléaires et centres de recherche connaissent des « écarts », des accidents de faible importance classés en-dessous de l'échelle INES (niveau 0) ou des anomalies de niveau 1 liées à des défaillances matérielles ou des erreurs humaines.
La Communauté Européenne a fixé des doses de radioactivité à ne pas dépasser. Par exemple, le lait ne doit pas dépasser 500 Bq/l pour l'iode 131. Les écologistes disent que les limites à ne pas dépasser, en France notamment, sont trop élevées. Dans certains länders allemands, les normes sont beaucoup plus sévères (100 Bq/l en Sarre, 20 Bq/l en Hesse et Hambourg).
