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.
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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
| Date | Savant(s) | Découverte |
|---|---|---|
| 1895 | Wilhelm Röntgen | Rayons X (non radioactifs, mais à l’origine des recherches) |
| 1896 | Henri Becquerel | Les sels d’uranium impressionnent une plaque photographique sans lumière |
| 1898 | Marie et Pierre Curie | Découverte du polonium et du radium ; Marie Curie forge le mot « radioactivité » |
| 1899-1900 | Ernest Rutherford, Paul Villard | Identification des rayonnements alpha, bêta, puis gamma |
| 1903 | Becquerel, P. et M. Curie | Prix Nobel de physique |
| 1911 | Marie Curie | Prix Nobel de chimie (isolement du radium) |
| 1934 | Irène et Frédéric Joliot-Curie | Radioactivité artificielle |
| 1938 | Otto Hahn, Fritz Strassmann (interprétée par Lise Meitner et Otto Frisch) | Fission de l’uranium |
Les trois types de rayonnement
| Type | Nature | Ce qui change dans le noyau | Pouvoir de pénétration | Arrêté par |
|---|---|---|---|---|
| Alpha (α) | Noyau d’hélium : 2 protons + 2 neutrons | Z diminue de 2, A de 4 | Très faible (quelques cm d’air) | Une feuille de papier, la peau |
| Bêta moins (β⁻) | Électron | Un neutron devient proton : Z + 1 | Moyen (quelques mètres d’air) | Quelques mm d’aluminium |
| Bêta plus (β⁺) | Positon (antiélectron) | Un proton devient neutron : Z − 1 | Moyen | Quelques mm d’aluminium |
| Gamma (γ) | Onde électromagnétique très énergétique (photon) | Le noyau perd de l’énergie, sans changer de nature | Très élevé | Plusieurs 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)
| Radionucléide | Demi-vie | Usage ou origine |
|---|---|---|
| Polonium 214 | 164 microsecondes | Chaîne de l’uranium |
| Technétium 99m | 6 heures | Imagerie médicale (scintigraphie) |
| Iode 131 | 8 jours | Traitement de la thyroïde ; rejets d’accidents nucléaires |
| Cobalt 60 | 5,27 ans | Radiothérapie, stérilisation |
| Césium 137 | ≈ 30 ans | Produit de fission (Tchernobyl, Fukushima) |
| Radium 226 | 1 600 ans | Chaîne de l’uranium |
| Carbone 14 | 5 730 ans | Datation |
| Plutonium 239 | 24 110 ans | Combustible, armes |
| Uranium 235 | 704 millions d’années | Combustible nucléaire |
| Uranium 238 | 4,47 milliards d’années | Datation des roches |
Les unités de mesure
| Grandeur | Unité | Signification |
|---|---|---|
| Activité | becquerel (Bq) | Nombre de désintégrations par seconde |
| Dose absorbée | gray (Gy) | Énergie déposée par kilogramme de matière (1 Gy = 1 J/kg) |
| Dose efficace | sievert (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).
| Situation | Dose efficace approximative |
|---|---|
| Radiographie du thorax | 0,02 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 exposés | 20 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.