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Sciences · Physique

La radioactivité

La radioactivité est la désintégration spontanée de noyaux atomiques instables, qui se transforment en d’autres noyaux en émettant des rayonnements alpha, bêta ou gamma.

Mis à jour le 5 min de lecture

Certains noyaux d'atomes ont trop de protons, trop de neutrons ou trop d’énergie pour être stables. Tôt ou tard, ils se transforment d’eux-mêmes en émettant une particule ou un rayonnement. Ce phénomène, la radioactivité, est naturel : il existe dans les roches, l’air, les aliments et notre propre corps. Il est aussi exploité en médecine, pour produire de l’électricité et pour dater les objets anciens.

La découverte

DateSavant(s)Découverte
1895Wilhelm RöntgenRayons X (non radioactifs, mais à l’origine des recherches)
1896Henri BecquerelLes sels d’uranium impressionnent une plaque photographique sans lumière
1898Marie et Pierre CurieDécouverte du polonium et du radium ; Marie Curie forge le mot « radioactivité »
1899-1900Ernest Rutherford, Paul VillardIdentification des rayonnements alpha, bêta, puis gamma
1903Becquerel, P. et M. CuriePrix Nobel de physique
1911Marie CuriePrix Nobel de chimie (isolement du radium)
1934Irène et Frédéric Joliot-CurieRadioactivité artificielle
1938Otto Hahn, Fritz Strassmann (interprétée par Lise Meitner et Otto Frisch)Fission de l’uranium

Les trois types de rayonnement

TypeNatureCe qui change dans le noyauPouvoir de pénétrationArrêté par
Alpha (α)Noyau d’hélium : 2 protons + 2 neutronsZ diminue de 2, A de 4Très faible (quelques cm d’air)Une feuille de papier, la peau
Bêta moins (β⁻)ÉlectronUn neutron devient proton : Z + 1Moyen (quelques mètres d’air)Quelques mm d’aluminium
Bêta plus (β⁺)Positon (antiélectron)Un proton devient neutron : Z − 1MoyenQuelques mm d’aluminium
Gamma (γ)Onde électromagnétique très énergétique (photon)Le noyau perd de l’énergie, sans changer de natureTrès élevéPlusieurs cm de plomb, des mètres de béton

Les neutrons libérés lors de la fission sont un quatrième type de rayonnement, très pénétrant, arrêté par l’eau ou le béton.

Danger relatif : un émetteur alpha est peu dangereux à l’extérieur du corps (la peau l’arrête), mais très nocif s’il est inhalé ou ingéré, car il dépose toute son énergie sur une petite épaisseur de tissu.

La demi-vie (période radioactive)

On ne peut pas prédire quand un noyau donné va se désintégrer, mais on connaît la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux d’un échantillon s’est désintégrée : c’est la demi-vie ou période, notée T½. Après deux demi-vies, il en reste un quart ; après dix, environ un millième.

N(t) = N₀ × (1/2)^(t / T½)

RadionucléideDemi-vieUsage ou origine
Polonium 214164 microsecondesChaîne de l’uranium
Technétium 99m6 heuresImagerie médicale (scintigraphie)
Iode 1318 joursTraitement de la thyroïde ; rejets d’accidents nucléaires
Cobalt 605,27 ansRadiothérapie, stérilisation
Césium 137≈ 30 ansProduit de fission (Tchernobyl, Fukushima)
Radium 2261 600 ansChaîne de l’uranium
Carbone 145 730 ansDatation
Plutonium 23924 110 ansCombustible, armes
Uranium 235704 millions d’annéesCombustible nucléaire
Uranium 2384,47 milliards d’annéesDatation des roches

Les unités de mesure

GrandeurUnitéSignification
Activitébecquerel (Bq)Nombre de désintégrations par seconde
Dose absorbéegray (Gy)Énergie déposée par kilogramme de matière (1 Gy = 1 J/kg)
Dose efficacesievert (Sv)Dose pondérée selon le type de rayonnement et les organes touchés, qui estime le risque sanitaire

Ordres de grandeur d’activité : le corps humain contient naturellement environ 8 000 Bq (surtout potassium 40 et carbone 14) ; un kilogramme de granite, environ 1 000 Bq.

Exposition et effets sur la santé

En France, l’exposition moyenne d’une personne est de l’ordre de 4,5 mSv par an, dont environ deux tiers d’origine naturelle (radon, rayons cosmiques, sol, alimentation) et un tiers médicale (imagerie).

SituationDose efficace approximative
Radiographie du thorax0,02 à 0,1 mSv
Vol Paris – New York aller-retour≈ 0,05 à 0,1 mSv
Scanner de l’abdomen≈ 5 à 10 mSv
Limite annuelle réglementaire pour le public (hors naturel et médical)1 mSv
Limite annuelle pour les travailleurs exposés20 mSv
Seuil d’effets aigus (syndrome d’irradiation)≈ 1 000 mSv (1 Sv) reçus en peu de temps

Les rayonnements ionisants peuvent endommager l’ADN. À forte dose, ils provoquent des effets immédiats (brûlures, atteinte de la moelle osseuse). À plus faible dose, ils augmentent la probabilité de cancers à long terme.

Applications

  • Énergie nucléaire : la fission de l’uranium 235 dans les réacteurs produit de la chaleur transformée en électricité (voir l'énergie).
  • Médecine : scintigraphie, TEP (tomographie par émission de positons), radiothérapie et curiethérapie contre les cancers.
  • Datation : carbone 14 pour l’archéologie ; uranium-plomb et potassium-argon pour la géologie, qui ont permis d’établir l’âge de la Terre (4,54 milliards d’années).
  • Industrie : contrôle des soudures par gammagraphie, stérilisation du matériel médical, détecteurs de fumée (américium 241).
  • Recherche : traceurs radioactifs en biologie et en environnement.

Questions fréquentes

La radioactivité est-elle toujours artificielle ?

Non. La plus grande partie de la radioactivité à laquelle nous sommes exposés est naturelle : radon issu des roches granitiques, rayons cosmiques, potassium 40 présent dans les aliments et dans le corps.

Que signifie « demi-vie » ?

C’est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon s’est désintégrée. Elle va de fractions de seconde à des milliards d’années selon l’élément.

Quelle différence entre irradiation et contamination ?

L'irradiation est l’exposition à un rayonnement venant d’une source extérieure ; elle cesse quand on s’éloigne. La contamination est le dépôt de substances radioactives sur la peau ou à l’intérieur du corps (inhalation, ingestion) ; elle se poursuit tant que la substance est présente.

Un objet irradié devient-il radioactif ?

En général non : un aliment stérilisé par rayons gamma ou un patient passé à la radiographie ne deviennent pas radioactifs. Seuls les flux de neutrons, comme dans un réacteur, peuvent rendre radioactifs les matériaux qu’ils traversent.

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