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Phénomènes physiques en jeu

14 octobre 2009 - Énergie, Air et Climat
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Sommaire :


      

Phénomène de radioactivité

14 octobre 2009 (mis à jour le 2 mars 2016)


Selon le nombre de protons et de neutrons composant leur noyau, les atomes peuvent être plus ou moins stables. Ainsi, il existe un domaine de stabilité, illustré par les points rouges sur le graphique suivant (pour Z protons et N neutrons).

 

Phénomènes de radioactivités


Si un atome n’est pas dans cette vallée de stabilité, il est dit radioactif : à un moment donné, il subira un phénomène naturel de désintégration de son noyau, qui dégagera de l’énergie sous forme d’un rayonnement, pour se transformer en un noyau plus stable. Ainsi, par cette émission radioactive, le noyau se modifie (modification du nombre de protons et de neutrons) pour se rapprocher de la vallée de stabilité.

 

 

Différentes émissions radioactives sont possibles :

  • radioactivité alpha : le noyau se sépare de deux protons et de deux neutrons, en émettant une particule alpha (noyau d’hélium).
  • radioactivité beta : (i) soit un proton du noyau est converti en neutron (transformation accompagnée d’une émission d’un positron et d’un neutrino), c’est la radioactivité « beta+ », (ii) soit c’est un neutron du noyau qui est converti en proton (en expulsant du noyau un électron et en émettant un anti-neutrino), c’est la radioactivité « beta- ».
  • les émissions alpha et beta laissent souvent le noyau dans un état excité, duquel il peut alors redescendre vers un niveau de moindre énergie en émettant un ou plusieurs rayons gamma (rayonnement électromagnétique de haute énergie). Ainsi, les radioactivités alpha et beta sont souvent accompagnées de cette radioactivité gamma, qui, elle, ne modifie pas la composition du noyau.

Impact des émissions radioactives

Ces émissions radioactives sont des rayonnements ionisants, et peuvent avoir un impact sur les tissus organiques des êtres vivants, car ils peuvent pénétrer plus ou moins profondément dans la matière et alors lui transférer de l’énergie :

  • Pour les particules alpha, la pénétration est faible. Une simple feuille de papier suffit à arrêter ces particules.
  • Pour les particules bêta- (électrons), la pénétration est moyenne. Une feuille d’aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons. Un écran d’un centimètre de plexiglas arrête toutes les particules bêta- d’énergie inférieure à 2 MeV.
  • Les particules bêta+ (positrons) ont une pénétration semblable à celle des électrons. Mais à la fin de son parcours, un positron s’annihile avec un électron rencontré sur son passage en formant deux photons gamma, ce qui ramène alors au cas du rayonnement gamma.
  • Les rayonnements gamma ont un très grand pouvoir de pénétration, en fonction de l’énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s’en protéger.

 

Impacts des émissions radioactives

 

Plusieurs unités existent pour mesurer une activité radioactive :

  • Le Becquerel (Bq) sert à mesurer le nombre de désintégrations radioactives par seconde au sein d’une certaine quantité de matière (un Bq correspond à une désintégration par seconde). A titre d’exemple, le granite émet une radioactivité naturelle typiquement de l’ordre de 1Bq par gramme de granite. Cependant, cette unité mesure simplement l’activité en nombre d’émission de particules, mais pas la dangerosité de ces rayonnements, qui dépend de la nature des particules émises et de leur énergie, d’où les unités suivantes :
  • Le Gray (Gy) mesure la dose d’énergie absorbée, par unité de masse exposée aux rayonnements (1 Gy = 1 J/kg). Il s’agit donc d’une mesure d’énergie absorbée, indépendamment de son effet biologique.
  • Le Sievert (Sv) est une mesure d’énergie absorbée par unité de masse, mais tenant compte de l’effet des différents rayonnements (type de radiations, leur énergie, l’effet biologique étudié), et de la sensibilité des différents tissus du corps humain. Lorsque l’on s’intéresse à la dangerosité d’un rayonnement, l’unité pertinente est donc le Sievert.

Par commodité, on utilise couramment le millisievert (mSv). Quelques exemples :

Dose annuelle moyenne reçue en France : environ 2,4 mSv/an/personne. (2mSv de radioactivité naturelle, la dose reçue par radioactivité artificielle correspondant à 99% au secteur médical).
Limite autorisée pour l’exposition de la population aux rayonnements artificiels, en France : 1 mSv/an/personne (Code de la santé publique, Article R1333-8).- Limite autorisée pour les personnels exposés, en France : 20 mSv/an/personne. (Code du travail, Article R231-76).
Une radiographie des poumons : 0,3 mSv
Un voyage Paris-New York aller et retour : 0,06 mSv

 

Si ces rayonnements peuvent avoir des applications médicales (radiographie, radiothérapie), il convient généralement de se protéger de leurs effets néfastes : c’est la radioprotection, dont les trois principes fondamentaux sont :

  • La justification : les sources de rayonnements ionisants ne doivent pas être utilisées s’il existe d’autres alternatives. De même, c’est au médecin de faire la balance entre le bénéfice que le patient retire de l’examen et le risque radiologique.
  • L’optimisation : recherche de l’exposition minimum nécessaire, correspondant au principe ALARA (As Low As Reasonably Achievable).
  • La limitation : il existe des limites annuelles d’exposition à ne pas dépasser ; chaque pays définit des limites réglementaires en fonction des recommandations de la Commission Internationale de Protection Radiologique.

Demi-vie d’un atome radioactif (ou période radioactive)

Le temps au bout duquel un atome radioactif se désintègre ne peut pas être connu avec certitude. Cependant, il suit une loi statistique, où, en chaque instant avant désintégration, sa probabilité de désintégration est constante. Dans la pratique, le nombre d’atomes radioactifs identiques est suffisamment important pour que l’évolution au cours du temps du nombre de ces atomes suive une loi exponentielle décroissante : au fur et à mesure que le temps passe, leur nombre diminue en fonction des désintégrations réalisées.

Chaque radionucléide (atome radioactif caractérisé par son nombre de protons et de neutrons) est alors caractérisé par sa « demi-vie  », qui correspond au temps au bout duquel sa probabilité de s’être désintégré est de 50% : si l’on examine une population de mêmes radionucléides, leur nombre est alors divisé par deux au bout de cette demi-vie. C’est donc un indicateur de la durabilité de la propriété radioactive du radionucléide considéré. Généralement, plus le noyau est éloigné de la vallée de stabilité, et plus la demi-vie est courte (forte instabilité du noyau).

Les demi-vies peuvent, selon les radionucléides, aller d’une fraction de seconde à des milliards d’années. L’uranium 238 a une demi-vie de près de 4,5 milliards d’années (c’est cette longue période qui explique qu’on en trouve encore sur Terre à l’état naturel). La demi-vie de l’uranium 235 est de près de 700 millions d’années ; c’est ce qui explique que, comparativement à l’uranium 238, on en trouve relativement peu (il ne constitue que 0,7% de l’uranium naturel).

Filiation radioactive

Lorsqu’un atome subit une désintégration radioactive, il se transforme en un autre atome, mais celui-ci n’est pas forcément stable non plus, et peut alors être lui-même soumis à une désintégration radioactive, etc. Il peut ainsi se créer une filiation radioactive ou chaine de désintégration, pour mener d’un atome radioactif jusqu’à un atome stable, en passant par plusieurs atomes radioactifs intermédiaires (via plusieurs émissions radioactives élémentaires alpha, beta, gamma).Par exemple, l’uranium 238 (92 protons et 146 neutrons) fait l’objet d’une chaîne de désintégration jusqu’au plomb 206 (atome stable), en passant par 13 radionucléides intermédiaires (dont, le thorium, le radium, le radon...).

      
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